Chương 1: Nguyên tử, phân tử, và ion

Trở về Mục lục cuốn sách

Theo quy ước, luôn có vị ngọt và vị đắng, có cái nóng và cái lạnh, và cũng theo quy ước, có trật tự. Sự thật thì có nguyên tử và chỗ trống.

Đê-mô-crit (400 tCN)

Các khái niệm cơ bản

  1. Cấu trúc nguyên tử. Proton, neutron, và electron. Đơn vị khối lượng nguyên tử, số nguyên tử, và số khối. Các nguyên tố cùng kí hiệu nguyên tử.
  1. Đồng vị. Khối lượng nguyên tử và Khối lương nguyên tử trung bình trong tự nhiên. Năng lượng liên kết.
  1. Phân tử. Liên kết cộng hóa trị, cấu trúc phân tử, và khối lượng phân tử.
  1. Lực giữa các phân tử. Lực hấp dẫn Van der Waals. Lực hấp dẫn phân cực, độ âm điện, và liên kết hydro.
  1. Phân tử và mol. Số Avogadro.
  1. Ion. Ion hóa, cation, và anion. Quá trình oxy hóa và khử. Ion đơn và phức. Số liên kết. Các điểm tan và điểm sôi của các muối. Ion trong dung dịch. Hydrat hóa.

Hóa học là ngành học về những động thái của vật chất. Nếu nhìn ra xung quanh, ta thấy dường như vật chất là liên tục, hoặc là một mảnh kim loại trơn nhẵn, một miếng gỗ hoặc đá sần sùi, một cốc nước lỏng, và một quả bóng bay chứa đầy khí. Nhưng xét đến cùng, vật chất là không liên tục; nó được hình thành từ từng nguyên tử với các dạng và thuộc tính khác nhau. Các triết gia Hy Lạp đã xét đến ý tưởng này nhưng không nghiên cứu gì thêm, và cứ để nguyên như vậy sau hơn 2000 năm, đến tận khi một giáo viên phổ thông ở Manchester, có tên là John Dalton, đưa ta khởi hành trên con đường dẫn tới hóa học hiên đại. Chương đầu tiên của cuốn Những nguyên lý hóa học này đề cập đến bản chất của những nguyên tử: Chúng là gì? Từng nguyên tử khác nhau thế nào? Và bản thân chúng có được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn không? Phần còn lại của khóa học này sẽ dành cho việc giải đáp những hệ quả quan trọng của mệnh đề tưởng chừng đơn giản sau: “Vật chất được hợp thành từ những nguyên tử.”

1-1 Cấu trúc của nguyên tử

Một nguyên tử chứa hạt nhân mang điện dương, vây quanh bởi một hoặc nhiều hạt mạng điện âm gọi là electron. Lượng điện dương thì cân bằng với luowjgn điện âm, vì vậy tổng điện tích của nguyên tử bằng không; ta nói nó trung hòa về điện. Phần lớn khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân; khối lượng của electron chỉ bằng 1/1836 của khối lượng hạt nhân nhẹ nhất, là hạt nhân nguyên tử hydro. Mặc dù hạt nhân là nặng, nhưng nó có kích thước rất nhỏ so với kích thước của toàn bộ nguyên tử. Bán kính của nguyên tử điển hình vào khoảng từ 1 đến 2.5 angstrom (Å), còn bán kính của hạt nhân vào khoảng 10-5 Å.1 Nếu một nguyên tử được phóng to lên kích cỡ Trái đất, thì hạt nhân của nó chỉ có đường kính 60 m và dễ dàng dạt trong một sân bóng nhỏ.

Bảng 1-1. Các hạt cơ bản của vật chất

Hạt Điện tích Khối lượng (amu)
Proton +1 1.00728
Neutron 0 1.00867
Electron -1 0.000549

Hạt nhân của nguyên tử chứa các protonneutron (nơ-tron). Proton và neutron có khối lượng xấp xỉ nhau, nhưng khác nhau về điện tích. Neutron không mang điện, còn proton mang một lượng điện dương đủ để cân bằng lượng điện âm của các electron, xem Hình 1-1. Bảng 1-1 liệt kê điện lượng của ba loại hạt cơ bản này, đồng thời cho thấy khối lượng của chúng tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử. Đơn vị KLNT (atomic mass unit, hay amu [ở Việt Nam còn gọi là đơn vị các-bon, đvC]) được định nghĩa đúng bằng 1 phần 12 khối lượng của một nguyên tử carbon có chứa 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân. Với thang đo này thì mỗi proton và neutron đều có khối lượng gần sát bằng, nhưng không đúng bằng, 1 amu. Có 6. 023 × 1023 amu trong 1 gam (g). Con số này được gọi là số Avogradro và được kí hiệu bởi chữ N.

Hình 1-1

Hình 1-1. Một nguyên tử có cấu tạo gồm một hạt nhân nhỏ, mang điện dương vây quanh bởi một đám mây electron mang điện âm để cân bằng lại. Hạt nhân này gồm các proton, mỗi proton mang điện dương, và neutron không mang điện. Nguyên tử đơn giản nhất là nguyên tử của hydro; nó chỉ là một proton đơn lẻ kèm theo một electron (hình bên trái). Nguyên tử của kim loại liti (lithium) thì phức tạp hơn một chút: bốn neutron, và ba proton mang điện dương ở trong hạt nhân, cùng với ba electron để cân bằng lượng điện này nằm ở một đám mây phía ngoài hạt nhân.

Số các proton trong hạt nhân một nguyên tử được gọi là số nguyên tử, Z. Nó đúng bằng số electron xung quanh hạt nhân, bởi nguyên tử trung hòa về điện. Số khối của nguyên tử là một số nguyên bằng với tổng số các hạt nặng: proton và neutron. Khi hai nguyên tử tiến sát nhau, đủ gần để kết hợp hóa học—tức là hình thành liên kết hóa học với nhau—thì mỗi nguyên tử sẽ “thấy được” chủ yếu là những electron ngoài cùng của nguyên tử kia. Vì vậy những electron lớp ngoài cùng là nhân tố quan trọng nhất đối với động thái hóa học của nguyên tử. Neutron trong hạt nhân ít có ảnh hưởng đến ứng xử hóa học, còn các proton chỉ có ý nghĩa vì chúng quyết định xem có bao nhiêu electron xung quanh hạt nhân trong một nguyên tử trung hòa. Tất cả những nguyên tử có cùng số nguyên tử sẽ ứng xử gần như nhau về mặt hóa học và được phân loại vào cùng một nguyên tố hóa học. Mỗi nguyên tố có tên riêng và một kí hiệu gồm một hoặc hai chữ cái (thường suy ra từ tên Tiếng Anh hoặc Tiếng Latin của nguyên tố đó). Chẳng hạn, kí hiệu của carbon là C, và của can-xi là Ca. Kí hiệu của Natri là Na—hai chữ cái đầu tiên của tên tiếng Latin (và tiếng Đức), natrium—để phân biệt nó với nitơ, N, và lưu huỳnh, S. Ở mặt sau cuốn sách này có một danh sách các nguyên tố cùng với kí hiệu của chúng.

Ví dụ 1

Kí hiệu nguyên tử cho brôm là gì, và số nguyên tử của nó là bao nhiêu? Tại sao ta không tđặt kí hiệu cho brôm là chữ cái đầu tiên của tên gọi nó? Còn nguyên tố nào khác chiếm mất kí hiệu B rồi? (Hãy xem bảng ở cuối sách.)

Lời giải. Số nguyên tử của brôm là 35, và kí hiệu của nó là Br; B là kí hiệu dành cho bo.

1-2 Đồng vị

Mặc dù tất cả nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có số proton như nhau, song các nguyên tử này có thể khác nhau về số neutron (Bảng 1-2). Những nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố được gọi là đồng vị. Bốn đồng vị của heli (He) được chỉ ra trên Hình 1-2. Tất cả nguyên tử của clo (Cl) đều có 17 proton, nhưng có những đồng vị clo chứa từ 15 đến 23 neutron. Chỉ có hai dạng đồng vị của clo tồn tại nhiều trong tự nhiên, đó là đồng vị với 18 neutron (chiếm 75,53% tất cả số nguyên tử clo tìm thấy trong tự nhiên), và với 20 neutron (24,47%). Để viết kí hiệu cho đồng vị, bạn hãy đặt số nguyên tử làm chỉ số dưới và số khối (số proton cộng với neutron) làm chỉ số trên về phía bên trái kí hiệu nguyên tử. Các kí hiệu của hai đồng vị clo có trong tự nhiên sẽ là 1735Cl1735Cl. Nói một cách chặt chẽ thì không cần phải viết chỉ số dưới, vì tất cả những nguyên tử clo đều có 17 proton. Vì vậy các kí hiệu đồng vị thường được viết mà không có chỉ số dưới: 35Cl và 17Cl. Khi nói đến các đồng vị, ta dùng những thuật ngữ như clo-35clo-37. Để nguyên tử tồn tại bền vững, thông thường nó sẽ cần phải có số neutron nhiều hơn proton một ít. Hạt nhân nguyên tử nào có quá nhiều hạt cơ bản cùng một loại sẽ không bền, và bị phá vỡ theo hình thức phóng xạ; điều này sẽ được đề cập đến ở Chương 22.

Bảng 1-2. So sánh những nguyên tử và ion điển hình

Số electron Số proton Số neutron Số ng.tử Khối lượng ng.tử (amu) (đơn vị electron)
Nguyên tử hydro,
11H hay H 1 1 0 1 1.008 0
Nguyên tử đơ-te-ri,
12H hay D 1 1 1 1 2.014 0
Nguyên tử tri-ti,
13H hay T 1 1 2 1 3.016 0
Ion hydro, H+ 0 1 0 1 1.007 +1
Nguyên tử heli, 24He 2 2 2 2 4.003 0
Hạt nhân heli,
hay hạt alpha,
He2+ hay α 0 2 2 2 4.002 +2
Nguyên tử li-ti, 37Li 3 3 4 3 7.016 0
Nguyên tử carbon, 612C 6 6 6 6 12.000 0
Nguyên tử oxy, 816O 8 8 8 8 15.995 0
Nguyên tử clo, 1735Cl 17 17 18 17 34.969 0
Nguyên tử clo, 1737Cl 17 17 20 17 36.966 0
Hỗn hợp clo
tồn tại tự nhiên 17 17 18 hc 20 17 35.453 0
Nguyên tử urani, 92234U 92 92 142 92 234.04 0
Nguyên tử urani, 92235U 92 92 143 92 235.04 0
Nguyên tử urani, 92238U 92 92 146 92 238.05 0
Hỗn hợp urani
tồn tại tự nhiên 92 92 tùy 92 238.03 0

(Sẽ bổ sung hình sau)

Hình 1-2. Bốn đồng vị của heli (He). Tất cả nguyên tử heli đều có hai proton (vì vậy cũng có hai electron), nhưng số neutron có thể thay đổi. Đa số nguyên tử heli trong tự nhiên có hai neutron (heli-4), và một số ít, chưa đến 1 phần triệu các nguyên tử heli có một neutron (heli-3). Các đồng vị khác của heli, heli-5, heli-6, và heli-8 (ở đây không vẽ ra) đều không bền và chỉ quan sát được rất ngắn trong quá trình phản ứng hạt nhân (xem Chương 22). Kích thước của hạt nhân ở đây được vẽ phóng đại nhiều lần. Nếu hạt nhân nguyên tử được vẽ to thế này, thì nguyên tử sẽ có bán kính một nửa km.

Ví dụ 2

Có bao nhiêu proton, neutron, và electron trong một nguyên tử urani 238? Hãy viết kí hiệu kiểu đồng vị này.

Lời giải. Số nguyên tử của urani (xem bìa sau) là 92, và số khối của đồng vị này được cho bằng 238. Như vậy nguyên tử có 92 proton, 92 electron, và 238 – 92 = 146 neutron. Kí hiệu của nó là 92238U (hay 238U).

Tổng khối lượng của nguyên tử được gọi là khối lượng nguyên tử, và nó gần bằng nhưng không đúng bằng tổng khối lượng của tất cả proton, neutron và electron hợp thành. Khi các proton, neutron, và electron hợp lại để tạo thành nguyên tử, một phần khối lượng của nó được chuyển thành năng lượng và mất đi. (Đây là nguồn năng lượng của các phản ứng hạt nhân.) Vì hạt nhân không thể bị phá hủy thành các hạt cơ bản, trừ khi năng lượng của phần khối lượng hụt đi được bù đắp từ bên ngoài, nên năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết của hạt nhân.

Ví dụ 3

Hãy tính khối lượng bị mất đi khi một nguyên tử carbon-12 được hình thành từ các proton, nơ-tron và electron.

Lời giải. Vì số nguyên tử của mỗi nguyên tử carbon là 6, nên carbon-12 có 6 proton và do đó có 6 electron. Để tìm số nơ-tron, ta đem trừ số khối đi số proton: 12 – 6 = 6 nơ-tron. Ta có thể dùng dữ liệu trên Bảng 1-1 để tính khối lượng tổng cộng của các hạt cơ bản này:

Proton: 6 x 1,00728 amu = 6,04368 amu Nơ-tron: 6 x 1,00867 amu = 6,05202 amu Electron: 6 x 0,00055 amu = 0,00330 amu — Khối lượng tổng cộng các hạt: 12,09900 amu

Nhưng theo định nghĩa về thang đo đơn vị khối lượng nguyên tử thì khối lượng của một nguyên tử carbon-12 bằng đúng 12 amu. Do vậy có 0,009900 amu đã biến mất trong quá trình hình thành nguyên tử từ những hạt cơ bản.

Ví dụ 4

Hãy tính khối lượng nguyên tử dự kiến của một đồng vị clo có 20 nơ-tron. So sánh con số này với khối lượng nguyên tử thực tế của đồng vị đã cho trong Bảng 1-2.

Lời giải. Đồng vị clo có 17 proton và 20 neutron.

Proton: 17 x 1,00728 amu = 17,1238 amu

Nơ-tron: 20 x 1,00867 amu = 20,1734 amu

Electron: 37 x 0,00055 amu = 0,0094 amu


Khối lượng tổng cộng các hạt: 37,0036 amu

Khối lượng nguyên tử thực tế quan sát: 36,966 amu


Khối lượng hao hụt: 0,341 amu

Mỗi đồng vị của một nguyên tố được đặc trưng bởi một số nguyên tử (tổng số porton), một số khối (tổng số proton và neutron), cùng một khối lượng nguyên tử (tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử, amu). Vì khối lượng mất đi trong quá trình hình thành nguyên tử là nhỏ, nên số khối thường bằng khối lượng nguyên tử làm tròn đến số nguyên gần nhất. (Chẳng hạn, khối lượng nguyên tử của clo-37 là 36,966 và được làm tròn thành 37.) Nếu có một vài đồng vị của một nguyên tử trong tự nhiên, thì dĩ nhiên khối lượng nguyên tử được quan sát thực nghiệm (khối lượng nguyên tử tự nhiên) sẽ là trung bình trọng số của các khối lượng từng đồng vị. Giá trị trung bình này được lấy trọng số dựa theo phần trăm độ sẵn có của các đồng vị. Clo tồn tại trong thiên nhiên với 75,53% clo-35 (34,97 amu) và 24,47% clo-37 (36,97 amu), nên trung bình trọng số của các khối lượng đồng vị là:

(0,7553  ×  34,97 amu) + (0,2447  ×  36,97 amu) = 35,46 amu.

Các khối lượng nguyên tử ghi ở bìa sau cuốn sách này đều được tính trung bình trọng số của các đồng vị tồn tại trong tự nhiên, và từ nay trở đi ta sẽ dùng những con số này—trừ khi ta xét riêng một đồng vị. Tất cả những đồng vị của một nguyên tố đều đa phần là có biểu hiện hóa học như nhau. Biểu hiện của chúng sẽ khác đi đối với các thuộc tính nhạy về khối lượng như tốc độ khuếch tán, mà sau này sẽ được đề cập đến trong sách.

Ví dụ 5

Ma-giê (Mg) có ba đồng vị tự nhiên đáng kể: 78,70% của toàn bộ các nguyên tử ma-giê có khối lượng nguyên tử 23,985 amu, 10,13% có khối lượng nguyên tử 24,986 amu, và 11,17% có khối lượng nguyên tử 25,983 amu. Có bao nhiêu proton và neutron tồn tại trong từng loại đồng vị kể trên? Cách viết kí hiệu mỗi đồng vị đó như thế nào? Cuối cùng, khối lượng nguyên tử trung bình bằng bao nhiêu?

Lời giải. Tất cả đồng vị của ma-giê đều có 12 proton. Đồng vị với khối lượng nguyên tử bằng 23,985 amu thì có số khối là 24 (số proton và neutron), vì vậy 24 – 12 proton cho ta 12 neutron. Kí hiệu của đồng vị này là 24Mg. Tương tự, đồng vị với khối lượng nguyên tử bằng 24,986 amu thì có số khối bằng 25, và có 13 neutron, kí hiệu là 25Mg. Đồng vị thứ ba (25,983 amu) có số khối bằng 26, 14 neutron, và kí hiệu là 26Mg. Ta có thể tính khối lượng nguyên tử trung bình như sau:

(0,7870  ×  23,985) + (0,1013  ×  24,986) + (0,1117  ×  25,983) = 24,31 amu

Ví dụ 6

Bo có hai đồng vị tốn tại trong tự nhiên, 10B và 11B. Ta biết rằng 80,22% các nguyên tử của nó là 11B, với khối lượng nguyên tử 11,009 amu. Từ khối lượng nguyên tử tự nhiên cho bởi bảng ở bìa cuối sách, hãy tính khối lượng nguyên tử của đồng vị 10B.

Lời giải Nếu như 80,22% của toàn bộ nguyên tử bo là 11B, thì 100,00 – 80,22 hay 19,78% là đồng vị chưa biết. Ta có thể dùng kí hiệu W để chỉ khối lượng nguyên tử chưa biết cần tính:

(0,8022  ×  11,009) + (0,1978  ×  W) = 10,81 amu (khối lượng nguyên tử tự nhiên)

tính ra W  = 10,01 amu

1-3 Phân tử

Sự hình thành nên những nguyên tử từ các hạt cơ bản, có thể thú vị đối với các nhà vật lý, vẫn còn lâu mới đến được giai đoạn tận cùng của tổ chức vật chất. Như ta đã đề cập đến từ trước, khi các nguyên tử tiến sát nhau đến mức các electron ngoài cùng của một nguyên tử có thể tương tác với những nguyên tử khác, thì lực hấp dẫn sẽ xuất hiện giữa các nguyên tử; lực này đủ mạnh để giữ chúng lại với nhau theo cái gọi là liên kết hóa học. Trong những trường hợp đơn giản nhất, liên kết xuất hiện từ việc chia sẻ chung hai electron giữa một cặp nguyên tử; mỗi nguyên tử trong liên kết góp một electron. Các liên kết dựa trên việc chia sẻ electron được gọi là liên kết cộng hóa trị, và hai hoặc nhiều nguyên tử gắn liền thành một khối nhờ liên kết cộng hóa trị thì được gọi là phân tử. Một trong những thắng lợi chính của lý thuyết cơ học lượng tử trong hóa học (xem Chương 7), đó là khả năng dùng nó dự đoán những dạng nguyên tử nào sẽ liên kết được với nhau, và những cấu trúc ba chiều cùng các khẳ năng phản ứng của phân tử được tạo thành. (Một phần đáng kể của cuốn sách này, các Chương 7–9 và 11–13, được dành riêng cho các lý thuyết liên kết hóa học.)

Trong các sơ đồ phân tử, một liên kết cộng hóa trị, chung electron, được biểu diễn bởi một gạch thẳng nối hai nguyên tử liên kết. Trong phân tử nước, một nguyên tử oxy (O) được liên kết với hai nguyên tử hydro (H). Sơ đồ của phân tử này có thể được vẽ theo hai cách:

H — O — H hoặc H2O

Cách thứ hai có kể đến thực tế rằng một phân tử nước không “thẳng” (tuyến tính); hai mối liên kết H — O lập thành một góc 105o với nhau.

Các nguyên tử khí hydro, hydro sunfua, a-mô-ni, mê-tan, và mê-tyl an-col (methanol) có các cấu trúc liên kết như sau:

simple-molecules

Hình 1.2

Hình 1-3: Hình dạng và kích cỡ tương đối của một số phân tử đơn giản. Hai nguyên tử liên kết với nhau được vẽ đan xen vì các đám mây electron của chúng giao cắt nhau. Theo quy ước, một liên kết vẽ hình đầu tù để chỉ liên kết hướng ra ngoài trang giấy, và nguyên tử gắn ở đầu tù gần phía người đọc hơn; và đường đứt nét thì biểu diễn cho liên kết hướng vào phía trong trang giấy.

Những sơ đồ này chỉ cho thấy liên kết giữa các nguyên tử trong các phân tử. Chúng không cho thấy dạng hình học ba chiều của phân tử. Hình 1-3 biểu diễn các dạng hình học và độ lớn tương đối của một số phân tử. Lưu ý rằng góc liên kết trong phân tử có nhiều hơn hai nguyên tử thì có thể thay đổi. Góc trong phân tử nước bằng 105o, còn góc trong phân tử hydro sunfua là 92o; bốn nguyên tử liên kết với nguyên tử carbon trung tâm trong các phân tử mê-tan và mê-tyl an-col đều hướng về bốn góc của một hình tứ diện. Cấu trúc liên kết trong phân tử octan mạch thẳng, một trong các thành phần của xăng dầu, là

gasoline-straight-chain

Mỗi sơ đồ cấu tạo như trên có thể được viết gọn lại thành một công thức phân tử, trong đó cho biết có bao nhiêu nguyên tử của từng loại nguyên tố chứa trong phân tử song không cho biết gì, hoặc rất ít thông tin về cách mà những phân tử này liên kết với nhau. Công thức phân tử của hydro là H2; của nước là H2O; của hydro sunfua là H2S; amonia là NH3; mê-tan là CH4; mê-tyl an-col là CH3OH hay CH4O; và octan, C8H18. Công thức của octan cũng có thể viết thành:

CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3

Tổng khối lượng nguyên tử của tất cả những nguyên tử trong phân tử là khối lượng phân tử của nó. Bằng cách tra khối lượng nguyên tử ở bìa sau cuốn sách ta có thể tính khối lượng phân tử. Khối lượng phân tử của hydro, H2, là:

2  ×  1,0080 amu = 2,0160 amu

Một phân tử nước, H2O, có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, do đó

(2  ×  1,0080 amu) + (15,9994 amu) = 18,0154 amu

Ví dụ 7

Hãy tính khối lượng phân tử của mê-tyl an-col.

Lời giải. Công thức phân tử là CH3OH hay CH4O. Vì vậy:

1 carbon: 1  ×  12,011 amu = 12,011 amu

4 hydro: 4  ×  1,008 amu = 4,032 amu

1 oxy: 1  ×  15,999 amu = 15,999 amu

————-

Tổng khối lượng nguyên tử: 32,04 amu

(Nếu bạn tự hỏi tại sao có thể bỏ bớt chữ số cuối cùng trong kết quả, hãy xem phần thảo luận về chữ số có nghĩa trong Phụ lục 3.)

Ở Ví dụ 7, ta nhận thấy rằng khối lượng nguyên tử tự nhiên của carbon không phải là 12,000 amu mà là 12,011 amu, vì carbon tồn tại dưới dạng hỗn hợp gồm 98,89% carbon-12 và 1,11% carbon-13, cùng với một lượng rất nhỏ carbon-14.

Ví dụ 8

Khối lượng phân tử của octan tinh khiết là bao nhiêu?

Vì công thức phân tử của octan là C8H18, nên khối lượng phân tử là

(8  ×  12,011) + (18  ×  1,008) = 114,23 amu

1-4 Lực tương tác giữa các phân tử

Dù lực hấp dẫn mạnh nhất đối với nguyên tử đến từ những nguyên tử khác khiến chúng liên kết lại thành một nguyên tử, thì hai nguyên tử với nhau cũng tác dụng lực nhỏ, nhưng đáng kể. Các phân tử đều hơi “dính”. Những lực này, gây ra bởi dao động nhấ thời trong sự phân bố electron quanh nguyên tử, được biết với tên gọi lực hấp dẫn van der Waals (đặt theo tên nhà vật lý học người Hà Lan, Johannes van der Waals). Chúng giải thích cho sựu tồn tại của những trạng thái (hoặc pha) của vật chất ở những nhiệt độ khác nhau: trạng thái rắn, lỏng, và khí. Nhiệt độ chỉ là một thang đo năng lượng nhiệt hoặc động năng thuộc về một nhóm các phân tử. Ở nhiệt độ thấp, các phân tử có ít động năng. Lực hấp dẫn van der Waals giữ chúng lại với nhau theo một mạng tinh thể trật tự, dày đặc (Hình 1-4c). Đây là trạng thái rắn. Nếu có thêm năng lượng cung cấp cho mạng tinh thể này khiến nhiệt độ tăng, thì các phân tử sẽ dao động quanh vị trị trung bình hoặc vị trí cân bằng trong tinh thể. Nếu cấp đủ năng lượng sẽ khiến cho cấu trúc trật tự của tinh thể bị phá vỡ, và những phân tử sẽ được tự do trượt quan nhau dù rằng giữa chúng vẫn có mối tiếp xúc (Hình 1-4b). Đây là trạng thái lỏng, và nhiệt độ chuyển tiếp giữa rắn và lỏng được gọi là điểm tan, Tm. Chất lỏng vẫn được giữ lại cùng nhau bởi lực hấp dẫn van der Waals, dù rằng các phân tử đã có quá nhiều động năng để không bị khóa chặt trong một mạng cố định nữa. Nếu tiếp thêm năng lượng cho chất lỏng, thì các phân tử sẽ chuyển động nhanh đủ để bứt khỏi lực hấp dẫn van der Waals, hoàn toàn tách rời nhau, và chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau trong không gian (Hình 1-4a). Đây là pha khí, và nhiệt độ chuyển tiếp giữa lỏng và khí được gọi là điểm sôi, Tb. Sự thay đổi về pha được xét đến kĩ hơn trong Chương 17.

fig-1.3

Hình 1-4. Ba trạng thái của vật chất. (a) Ở trạng thái khí, các nguyên tử riêng rẽ chuyển động tự do trong không gian, va chạm và nảy lại. Một chất khí tự điều chỉnh theo hình dạng của bình chứa nó và dễ dàng dãn nở ra hoặc bị nén lại. (b) Các phân tử trong chất lỏng có tiếp xúc nhau, nhưng tự do trượt qua lại. Một chất lỏng cũng tự thích nghi được với hình dạng của bình chứa, nhưng nó có thể tích tương đối cố định. (c) Trong một chất rắn tinh thể, các phân tử được xếp vào một mạng có trậ tự, khiến cho chất rắn có cả thể tích lẫn hình dạng cố định. Cần thực hiện công mới phá vỡ, hoặc làm biến dạng tinh thể. Hình vẽ chỉnh lại từ nguồn: R.E. Dickerson và I. Geis. Chemistry, Matter, and the Universe, The Benjamin/Cummings Publishing Co., Menlo Park, Calif., 1976.

Các điểm tan và điểm sôi của một số phân tử đơn giản được so sánh với nhau trong Bảng 1-3. Nhìn chung, các phân tử lớn thường có điểm tan và điểm sôi cao hơn, vì chúng có diện tích bề mặt lớn hơn cho lực hấp dẫn van der Waals. Bởi vậy tại áp suất 1 atm, H2 sôi ở –164,0oC, nhưng C8H18 phải được đun đến +125,7oC trước khi các phân tử tách rời khỏi nhau và chuyển sang thể hơi.

Bảng 1-3. Các điểm tan và điểm sôi của phân tử một số chất đơn giản

Chất Công thức p.tử Tm(oC) Tb(oC)
Khí
Hydro H2 –259,1 –252,5
Oxy O2 –218,4 –183,0
Mê-tan CH4 –182,5 –164,0
Hydro sunfua H2S –85,5 –60,7
Clo Cl2 –101,0 –34,6
Amoni NH3 –77,7 –33,4
Lỏng
Brom Br2 –7,2 +58,8
methanol CH3OH –93,9 +65,0
Nước H2O 0 +100
n-octan C8H18 –56,8 +125,7
Rắn
I-ốt I2 +113,5 +184,4
Xac-ca-roz (đường mía) C12H22O11 +185 phân hủy

Một dạng khác của lực giữa các phân tử cũng có ảnh hưởng đến các điểm tan và điểm sôi: đó là độ phân cực của phân tử. Nếu hai nguyên tử được nối với nhau bởi một liên kết cộng hóa trị với cặp electron chung mà không có cùng lực hấp dẫn đối với các electron, thì cặp electron này sẽ dịch chuyển về phía nguyên tử có khả năng hút electron mạnh hơn. Điều này sẽ khiến cho nguyên tử đó có một lượng điện tích âm hơi vượt quá (và được biểu diễn bởi δ −  thay vì chỉ mỗi dấu âm, để khỏi nhầm với điện tích của cả một electron), và sẽ gây ra một điện tích hơi dương (δ + ) ở nguyên tử mà thua kém việc hút electron. Vì năng lực hút electron (độ âm điện) của oxy mạnh hơn so với hydro, nên nguyên tử oxy trong phân tử nước hoặc mê-tyl an-col sẽ hơi âm, và các nguyên tử hydro sẽ hơi dương (Hình 1-5). Một phân tử như vậy được gọi là phân cực vì nó biểu hiện giống như một lưỡng cực điện rất nhỏ; nghĩa là, phần điện âm của oxy sẽ hút các điện tích dương khác ở gần đó, và phần điện tích dương của mỗi hydro sẽ hút các điện tích âm khác. Đây cũng là một lực hấp dẫn khác giữa các phân tử, ngoài lực hấp dẫn van der Waals. Nhờ các lực này liên kết những phân tử của nó, nên methanol tan và sôi ở những nhiệt độ cao hơn nhiều so với mê-tan, dù chúng có kích thước phân tử tương đồng nhau. Methanol là một chất lỏng tại nhiệt độ trong phòng, còn mê-tan là chất khí. Trong môi trường nước, các lực hấp dẫtn giữa hydro và oxy của những phân tử khác nhau mạnh đến nỗi chúng được đặt tên gọi riêng là liên kết hydro. Liên kết hydro đặc biệt quan trọng trong protein và những phân tử khổng lồ khác của sinh vật. Nếu không có độ phân cực và liên kết hydro thì nước sẽ tan và bốc hơn tại nhiệt độ thấp hơn cả H2S (Bảng 1-3). Nếu vậy, ở nhiệt độ phòng nước đã là “chất khí” chứ không phải chất lỏng thường gặp nhất trên Trái đất.

fig-1.4

Hình 1-5. Liên kết O—H ở nước và methanol (mê-tyl an-col) có tính phân cực vì nguyên tử oxy có khả năng hút cặp electron mạnh hơn và kéo điện tích âm về phía nó, khiến nguyên tử hydro có một phần điện tích dương. Tính phân cực này rất quan trọng đối với tương tác giữa các phân tử.

1-5 Phân tử và mol

Đến giờ ta mới chỉ nói về các nguyên tử hoặc phân tử riêng lẻ, và về khối lượng đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử. Nhưng việc thao tác với từng phân tử là quá khó thực hiện trong phòng thí nghiệm, và các nhà hóa học đo nguyên liệu theo gam chứ không phải đơn vị khối lượng nguyên tử. Để phóng đại từ cấp độ nguyên tử lên cấp độ phòng thí nghiệm, ta dùng đến một đơn vị gọi là mol. Mỗi mol hóa chất bằng số phân tử của chất đó tương đương với số nguyên tử carbon-12 có trong đúng 12 g carbon-12. Điều này đồng nghĩa với 1 mol của chất bất kì có khối lượng tính theo gam, bằng con số khối lượng phân tử của chất đó tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử. Quan trọng nhất là, theo định nghĩa này, 1 mol của bất kì chất nào cũng chứa cùng số phân tử. Nhà hóa học có thể đếm số nguyên tử và phân tử trong phòng thí nghiệm bằng cách đơn giản là cân chúng.

Từ mol không chỉ dùng được cho phân tử mà còn cho nguyên tử; trên thực tế, ngoài một mol phân tử nước, ta cũng nói một mol nguyên tử heli. Thuật ngữ gam-nguyên tử áp dụng cho mol nguyên tử đến nay đã không còn được dùng mấy.

Ví dụ 9

Một mol mỗi chất sau đây có khối lượng bao nhiêu gam: H2, H2O, CH3OH, octan (C8H18), và khí neon (N2)?

Lời giải. Khối lượng phân tử (tính theo amu) của đa số các chất này đã được cho trong những ví dụ trước đây, và khối lượng nguyên tử của neon được ghi ở bảng trên bìa sau cuốn sách. Như vậy mỗi mol hóa chất có khối lượng lần lượt bằng:

H2     2,0160 g    C8H18   114,23 g
H2O   18,0154 g    Ne    20,179 g
CH3OH   32,04 g

Vì những khối lượng tìm được ở Ví dụ 9 cho ta giá trị đúng của khối lượng tương đối những phân tử được đem cân, nên mỗi lượng hóa chất này sẽ có cùng số phân tử. Đây là điều khiến cho khái niệm mol trở nên hữu ích. Thậm chí chẳng quan trọng khi biết số đó bằng bao nhiêu, dù ta biết rằng nó là 6,022  ×  1023, và được gọi là số Avogadro, N. Đi từ phân tử lên mol đồng nghĩa với việc phóng đại lên 6,022  ×  1023 lần. Số Avogadro cũng là hệ số chuyển đổi giữa khối lượng nguyên tử và đơn vị khối lượng, gam: 1 g = 6,022  ×  1023 amu. Nếu ta hình dung khối lượng phân tử là khối lượng của một mol hóa chát, thì đơn vị của khối lượng nguyên tử là g/mol; nếu ta hình dung nó như khối lượng thực của một phân tử thì con số vẫn không đổi nhưng đơn vị lại là amu/phân tử. Cả hai cách nghĩ đều đúng.

Ví dụ 10

Có bao nhiêu nguyên tử trong 0,070 g vàng?

Lời giải. Khối lượng nguyên tử của vàng (Au) là 196,9665 g mol-1. 2 Trong 0,0700 g Au có \displaystyle{\frac{0,0700 g}{196,9665 g mol^-1 } } = 3,55  ×  10-4 mol

Do vậy, có 3,55  ×  10-4 mol  ×  6,02  ×  1023 ng.tử mol-1 = 2,14  ×  1020 nguyên tử Au.

Ví dụ 11

Có bao nhiêu phân tử có trong 0,10 g khí hydro? Bao nhiêu nguyên tử?

Lời giải. Khí hydro gồm những phân tử H2. Khối lượng phân tử của H2 là 2,016 g mol-1. Trong 0,10 g H2 có: \displaystyle{\frac{0,01 g}{2,016 g mol^-1 } } = 5,0  ×  10-2 mol

Như vậy, có 5,0  ×  10-2 mol  ×  6,022  ×  1023 ph.tử mol-1 = 3,0  ×  1022 phân tử H2. Vì mỗi phân tử H2 gồm hai nguyên tử H, nên có 2 ng.tử mol-1  ×  3,0  ×  1022 phân tử = 6,0  ×  1022 nguyên tử H.

Số các nguyên tử H cũng có thể được tính đơn giản bằng cách tìm số mol nguyên tử H rồi đem nhân với số Avogadro: \displaystyle{ \frac{0,10 g}{1,008 g [mol (ng.tu H)]^-1 } }  ×  6,022  ×  1023 ng.tử [mol (ng.tử H)]-1 = 6,0  ×  1022 ng.tử H.

Ví dụ 12

Một phân tử H2 phả ứng với một phân tử Cl2 để hình thành hai phân tử khí hydro clorua, HCl. Cần khối lượng khí clo bằng bao nhiêu để phản ứng hết với 1 kg khí hydro?

Lời giải. Các khối lượng phân tử của H2 và Cl2 lần lượt là 2,016 g mol-1 và 70,906 g mol-1. Vì vậy 1000 g khí H2 có chứa:

\frac{1000 g} {2,0160 g/mol} = 496,0 mol phân tử H2

Không cần biết có bao nhiêu phân tử trong một mol, ta vẫn chắc chắn rằng 496,0 mol Cl2 sẽ chứa cùng số phân tử như 496,0 mol hay 1000 g H2. Có bao nhiêu g Cl2 trong 496,0 mol? Vì khối lượng phân tử của Cl2 là 70,906 g mol-1 nên,

496,0 mol  ×  70,906 g mol-1 = 35170 g Cl2

Vì 1 kg = 1000 g, nên 35170 g bằng 35.17 kg. Nếu 1,00 kg H2 được cho phản ứng với 35,17 kg Cl2 thì phản ứng sẽ xảy ra hoàn toàn và không còn chất tham gia phản ứng thừa lại.

Ví dụ 13

Bao nhiêu phân tử H2 và Cl2 có mặt trong thí nghiệm ở Ví dụ 12?

Trong 496,0 mol bất kì chất nòa, sẽ có 496,0 mol  ×  6,022  ×  1023 ph.tử mol-1, nghĩa là bằng 2,987  ×  1026 phân tử.

Một ví dụ nghiêm túc về độ lớn của số Avogadro là, 1 mol quả dừa, mỗi quả có đường kính 14 cm, sẽ lấp đầy một thể tích to như cả Trái đất. Việc dùng mol trong tính toán hóa học là chủ đề của chương tiếp theo, nhưng ý tưởng đã được giới thiệu ở đây vì ta cần biết cách phóng đại từ cấp độ phân tử đến cấp độ thí nghiệm.

1-6 Ion

Ý tưởng về mối liên kết cộng hóa trị đề cấp đến việc chia sẻ bình đẳng cặp electron chung giữa hai nguyên tử tham gia liên kết, nhưng phần thảo luận ngắn gọn về tính phân cực ở Mục 1-4 đã chỉ ra rằng việc chia sẻ này không phải luôn bình đẳng. Độ âm điện tương đối hay lực hút electron của các nguyên tử rát quan trọng trong việc giải thích biểu hiện hóa học, và sẽ được nghiên cứu kĩ hơn trong Chương 8. Các nguyên tử natri (cũng như mọi kim loại nói chung) đều hút electron rất yếu, nhưng các nguyên tử clo lại có tính âm điện rất mạnh. Vì vậy, trong muối ăn (natri clorua, NaCl), mỗi phân tử natri, Na, mất đi một electron (e) để hình thành một ion natri, Na+. Mỗi nguyên tử clo nhận thêm một electron để trở thành một ion clo, Cl:

Na  →  Na+ + e- và ½Cl2 + e-  →  Cl-

Ta viết ½Cl2 vì khí clo tự do tồn tại dưới dạng phân tử lưỡng nguyên tử (gồm hai nguyên tử), chứ không phải dạng nguyên tử clo độc lập. natri clorua rắn (Hình 1-6) có các ion natri và clo gắn chặt thành một mạng lưới ba chiều theo cách mà từng ion Na+ được bao bọc bốn phía xung quanh và cả trên lẫn dưới bởi các ion âm Cl, và tương tự, mỗi ion Cl được bao quanh bởi sáu ion Na+ gần nhất. Đây là một cách bố trí các điện tích âm và dương đặc biệt bền vững.

fig-1.5

Hình 1-6. Muối ăn (natri clorua, NaCl) được hình thành từ các ion natri, Na+ (hình cầu nhỏ), và ion clo, Cl (hình cầu lớn, tô màu) xếp chặt với nhau. Từng ion của một loại điện tích được bao quanh bởi sáu ion thuộc điện tích khác loại ở bốn hướng ngang và hai hướng trên dưới. Đây là một cách bố trí các điện tích đặc biệt bền vững, và hiện hữu ở nhiều loại muối khác nhau. Nguồn: Dickerson và Geis. Chemistry, Matter, and the Universe, The Benjamin/Cummings Publishing Co., Menlo Park, Ca., ©1976.

Nhìn chung, các kim loại thường dễ dàng mất từ một đến ba ion để trở thành ion mang điện dương, hay cation:

Li  →  Li+ + e    ion li-ti

Na  →  Na+ + e    ion natri

K  →  K+ + e ion kali

Mg  →  Mg2+ + 2e ion ma-giê

Ca  →  Ca2+ + 2e ion can-xi

Al  →  Al3+ + 3e ion nhôm

Ngược lại, một số phi kim nhận lấy electron để trở thành các ion mang điện âm, hay anion:

½F2 + e  →  F   ion flo

½Cl2 + e  →  Cl   ion clo

½O2 + 2e  →  2O2-   ion o-xit

S + 2e  →  S2-    ion flo

Các thuật ngữ ion dương và âm bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp: cata- (“phóng đi”), như ở từ catapult, một loại máy bắn đá, và ana- (“trở lại”), vốn mô tả sự mất đi hoặc thu về electron.

Các ion đơn giản khác hình thành từ những nguyên tử đơn lẻ được liệt kê trong Bảng 1-4. Điện tích của một ion đơn nguyên tử đơn giản như Al3+ hay S2-trạng thái oxy hóa hay số oxy hóa của ion đó. Đây là số các electron cần được bổ sung để khử (hoặc cần bớt đi để oxy hóa) ion thành chất trung hòa:

Khử: Al3+ + 3e  →  Al

Oxy hóa: S2-  →  S + 2e

Việc kéo các electron về hướng xa nguyên tử hoặc lấy mất electron được gọi là oxy hóa. Việc thêm electron cho nguyên tử hoặc đẩy chúng dịch về phía nguyên tử được gọi là khử.

Bảng 1-4 Một số ion đơn giản của các nguyên tố

table-1.4

Ví dụ 14

Trong khi hình thành ion clorua thì clo bị oxy hóa hay bị khử? Trạng thái oxy hóa của ion này bằng bao nhiêu?

Lời giải. Clo bị khử, vì mỗi nguyên tử clo được thêm vào 1 electron để hình thành nên ion. Ion clorua, Cl, ở trạng thái oxy hóa -1.

Ví dụ 15

Khi các kim loại được chuyển hóa thành dạng ion của chúng thì những kim loại này bị oxy hóa hay bị khử? Trạng thái oxy hóa của ion nhôm là gì?

Lời giải. Các kim loại bị oxy hóa thành những ion của chúng, vì bị mất đi electron. Ion nhôm, Al3+, ở trạng thái oxy hóa +3.

Nếu tồn tại hai hay nhiều trạng thái oxy hóa của ion kim loại thì chúng được phân biệt bằng cách viết trạng thái oxy hóa theo số La Mã sau tên nguyên tử. Một cách viết cũ hơn, mà sách Tây vẫn còn sử dụng, là gọi tên trạng thái oxy hóa cao hơn bằng đuôi -ic và trạng thái thấp hơn bằng đuôi . Vì vậy mà có cách gọi sau:

Fe2+: sắt(II) hay fe-rơ Fe3+: sắt(III) hay ferric

Cu+: đồng(I) hay cuprơ Cu2+: đồng(II) hay cupric

Sn2+: thiếc(II) hay stannơ Sn4+: thiếc(II) hay stannic

Ví dụ 16

Khi ion ferric được chuyển hóa thành ion fe-rơ, thì đây là quá trình oxy hóa hay khử? Hãy viết phương trình biểu diễn.

Lời giải. Phương trình là Fe3+ + e  →  Fe2+. Quá trình này là khử vì có một electron được bổ sung vào.

Cách viết với số La Ma thì dễ dùng hơn vì nó không yêu cầu bạn phải nhớ hai trạng thái oxy hóa của một kim loại là gì để biết được hợp chất từ tên gọi của nó.

Muối là một chất hợp thành từ các ion dương và âm. Vì muối phải trung hòa về điện nên tổng các lượng điện tích dương và âm trong những ion của nó phải bằng không. Vì mỗi ion Sn2+ có điện lượng bằng +2, nên cần số ion clorua (điện lượng -1) nhiều gấp đôi mới trung hòa được tổng điện tích. Do vậy muối của Sn2+ và Cl có cấu tạo tổng thể là SnCl2 thay vì SnCl hay SnCl3. Muối này được gọi là stannơ clorua hay thiếc(II) clorua. Công thức của stannic clorua hay thiếc(IV) clorua là SnCl4.

Ngoài những ion đơn giản này, các ion phức tạp cũng có thể được hình thành. Ion sunfat, SO42-, có bốn oxy ở các góc một hình tứ diện bao quanh nguyên tử lưu huỳnh ở trung tâm, và có lượng điện tích tổng cộng là -2. Ion nitrat, NO3, có ba nguyên tử oxy hình thành nên tam giác đều bao quanh ni-tơ, và có điện lượng bằng -1. Ion amoni, NH4 có bốn hydro ở các góc của một hình tứ diện, với điện lượng bằng +1. Các ion này được coi là những đơn vị vì chúng hình thành nên muối cũng theo cách như các ion đơn phân tử, và tham gia nhiều phản ứng hóa học mà ion không biến đổi gì. Bạc nitrat, AgNO3 là một muối chứa số ion Ag+ và NO3 bằng nhau. Amoni sunfat là muối có số ion amoni, NH4+, nhiều gấp đôi ion sunfat, SO42-, và có công thức hóa học (NH4)2SO4. Các ion phức thường gặp khác được liệt kê trong Bảng 1-5.

Bảng 1-5 Một số ion phức thông dụng

table-1.5

Khi một nguyên tử trung tâm bị vây quanh bởi vài nguyên tử cách đều nó thì số nguyên tử vây quanh này được gọi là số liên kết. Yếu tố quanh trọng nhất là kích thước. Ni-tơ trong ion nitrat, NO3, có ba nguyên tử oxy vây quanh nó, và vì vậy oxy có số liên kết là 3. Nguyên tử lưu huỳnh lớn hôn nguyên tử ni-tơ, và có thêm một nguyên tử oxy trong ion sulfat, SO42-. Như vậy số liên kết của lưu huỳnh đối với oxy là 4.

Bảng 1-6 Các số liên kết thông dụng

Nguyên tố Số liên kết Các ví dụ
Fe 6 Fe(CN)64-, Fe(CN)63-
Co 4, 6 CoCl42-, Co(NH3)63+, Co(H2O)62+
Ni 4, 6 Ni(CN4)2-, Ni(NH3)62+
Cu 4, 6 CuCl42-, Cu(H2O)62+
Zn 4 Zn(CN4)2-
Pt 4, 6 PtCl42-, PtCl62-
B 3, 4 BO33-, BF4
C 3, 4 CO32-, CH4, CF4
N 3, 4 NO3, NH4+
Si 4, 6 SiO42-, SiF6
Cl 1,2,3,4 ClO, ClO2, ClO32-, ClO4
As 3, 4 AsO33-, AsO43-
Sb 6 Sb(OH)6, SbCl6
I 3, 4, 6 IO3, IO4, IO65-

Các số liên kết thông dụng nhất là 2, 3, 4, và 6. (Xem Bảng 1-6.) Một ion hoặc phân tử với nguyên tử trung tâm với số liên kết bằng 2 thì có thể thuộc dạng tuyến tính, như carbon đi-ô-xit với O—C—O trên một đường thẳng, hoặc dạng cong, như với nước, H2O. Các cấu trúc của ion hoặc phân tử với các số liên kết 3, 4, 5 được chỉ ra ở cuối Bảng 1-5.

Chặt chẽ mà nói thì việc dùng những khái niệm công thức phân tử và khối lượng phân tử của các muối là không đúng—muối chỉ là mạng lưới các ion được xếp có trật tự. Không có ion natri đơn lẻ nào ở cấu trúc natri clorua trên Hình 1-6 lại “thuộc về” một ion clorua cụ thể. Tuy nhiên, nói công thức hóa học của muối và khối lượng xét theo công thức này thì cũng hợp lý. Vì công thức hóa học của natri clorua là NaCl nên khối lượng tính theo công thức natri clorua bằng tổng các khối lượng của một nguyên tử natri và một nguyên tử clo:

1 natri: 22,990 amu

1 clo: 23,453 amu

Tổng: 58,443 amu

Ta thường gọi con số này là “khối lượng phân tử” của natri clorua, mà không gây nhầm lẫn gì miễn là bạn hình dung được cấu trúc của muối như thế nào. Một mol natri clorua có khối lượng 58,443 g. Nó sẽ chứa 6,022  ×  1023 ion clorua và 6,022  ×  1023 ion natri. Ngay cả khi ta không gộp chúng lại thành phân tử thì tỉ lệ giữa chúng vẫn sẽ là 1:1.

Ví dụ 17

Khối lượng phân tử của amoni sulfat bằng bao nhiêu?

Lời giải. Công thức hóa học của amoni sulfat là (NH4)2SO4, vì vậy khối lượng phân tử (thực ra là khối lượng theo công thức) là > 2 ni-tơ: 2  ×  14,007 amu = 28,014 amu > 8 hydro: 8  ×  1,008 amu = 8,064 amu > 1 lưu huỳnh: 1  ×  32,06 amu = 32,06 amu > 4 oxy: 4  ×  15,999 amu = 63,996 amu > Tổng: 132,13 amu

Các anion đơn giản được đặt tên bằng cách thêm -ua và cuối tên của nguyên tố như florua (F), clorua (Cl), sulfua (S2-). 3Khi có nhiều hơn một anion phức của một nguyên tố với oxy có thể được hình thành, thì ta dùng những đuôi -at-it lần lượt cho các trạng thái oxy hóa cao hơn và thấp hơn. Do vậy,

Ion sulfat SO42- Ion sulfit SO32-
Ion nitrat NO3 Ion nitrit NO2
Ion arsenat AsO43- Ion arsenit AsO33-

Nếu có nhiều hơn hai anion như vậy, thì đến lượt các chữ đầu hypo- (“dưới”) và per- (“cao hơn”) được dùng đến:

Ion perclorat ClO4
Ion clorat ClO3
Ion clorit ClO2
Ion hypoclorit ClO

Ví dụ 18

Hãy viết công thức hóa học cho natri sunfua và bari phốt-phát. Số liên kết của P trong phốt-phát bằng bao nhiêu?

Lời giải. Natri sunfua là Na2S. Bari phốt-phát là Ba3(PO4)2. Số liên kết của P trong PO43- là 4.

Ví dụ 19

Hãy viết công thức hóa học của kali hexabromoplatinat(IV). Số liên kết của Pt trong hợp chất này bằng bao nhiêu?

Lời giải. kali hexabromoplatinat(IV) là K2PtBr6. Hợp chất này có chứa các ion K+ và các ion PtBr62-. Số liên kết của Pt là 6.

Ví dụ 20

Hãy viết công thức của học của hexaamincoban(III) sunfat. Số liên kết của Co trong hợp chất này bằng bao nhiêu? Số liên kết của S trong sunfat bằng bao nhiêu?

Lời giải. Hexaamincoban(III) sunfat là [Co(NH3)6]2(SO4)3. Hợp chất này có chứa các ion Co(NH3)63+ và các ion SO42-. Số liên kết của Co bằng 6; của S trong SO42- bằng 4.

Điểm tan và điểm sôi của các muối

Một tinh thể muối biểu diễn một cân bằng đặc biệt bền vững giữa các điện tích dương và âm, với mỗi ion được ngăn riêng khỏi các ion khác cùng loại. Việc làm tan một tinh thể muối nghĩa là làm đảo lộn cân bằng tinh tế giữa các điện tích, và cho phép các ion đẩy nhau được tiến sát lại vào những thời điểm nhất định khi các ion vượt qua nhau. Sự gián đoạn cấu trúc này đòi hỏi nhiều năng lượng để thực hiện, do vậy điểm tan của các muối đều cao hơn của những chất rắn phân tử. Điểm tan của hai loại muối, natri clorua (NaCl) và kali sunfat (K2SO4) được so sánh trong bảng Bảng 1-7 cùng với điểm tan của những nguyên tố hợp thành những muối này. Kali kim loại tan ở nhiệt độ 97,8oC; và clo rắn tan ở -101oC, nhưng hợp chất của chúng, natri clorua (muối ăn), cần đến nhiệt độ 801oC trước khi tan. Việc làm sôi hay hóa hơi một muối thậm chí còn khó hơn. Trong thể lỏng, các ion này vẫn giữ nguyên là ion, lộn nhào qua nhau giống như ở bất kì chất lỏng nào khác; nhưng trước khi đạt được trạng thái khí, các ion Na+ và Cl phải cặp đôi thành những phân tử NaCl trung hòa. Để thực hiện việc xếp cặp này, những electron phải được kéo khỏi ion Cl, vốn có lực hút rất chặt, và đẩy về phía các ion Na+, vốn không hề muốn electron. Liên kết NaCl trong hơi natri clorua có tính phân cực rất mạnh, với cặp electron lệch hẳn về phía nguyên tử clo, nhưng sự phân bật thì không hoàn toàn như trong các ion Na+ và Cl. Cần nhiều năng lượng để đẩy electron đến nơi chúng không muốn và tạo thành cá phân tử NaCl từ ioin Na+ và Cl, vì vậy phải cần nhiệt độ rất cao trước khi điều này xảy ra. Vì vậy mà điểm sôi của muối rất cao so với của các phân tử thành phần, như được cho thấy trong Bảng 1-7.

Bảng 1-7: Điểm tan và điểm sôi của hai muối và của các nguyên tố thành phần

Chất Công thức hóa học Tm(oC) Tb(oC)
Kim loại kali Na 97,8 882,9
Khí clo Cl2 -101,0 -34,6
Natri clorua (muối) NaCl 801 1413
Kim loại kali K 64 774
Lưu huỳnh S 119 445
Khí oxy O2 -218 -183
Kali sunfat (muối) K2SO4 1069 1589

Ion trong dung dịch

fig-1.7

Hình 1-7. Sự tan vỡ của tinh thể muối do những phân tử nước, với sự hydrat hóa các ion. Từng ion muối trong dung dịch bị vây quanh bởi những phân tử nước phân cực, với điện tích trái dấu quay về phía ion đó. Năng lượng hydrat hoá tĩnh điện này bù trừ cho sự giảm mất lực hút giữa các ioni trong tinh thể muối. Nguồn: Dickerson và Geis, Chemistry, Matter, and the Universe.

Dù các muối rất khó tan và càng khó bốc hơi, nhưng nhiều loại muối có thể dễ dàng tan trong một dung dịch phân cực như nước. Lý do thật đơn giản. Các phân tử nước giúp cho việc gỡ bỏ tinh thể muối, vì phần điện tích dương và âm trên phân tử nước phân cực (Hình 1-4) thay thế cho các điện tích dương và âm vốn có trong mạng tinh thể. Hình 1-7 minh họa cho hiện tượng xảy ra khi một tinh thể như natri clorua bị hòa tan trong nước. Từng điện tích dương Na+ bị vây quanh bởi các phân tử nước với oxy mang điện âm quay về phía nó; và từng ion âm Cl vị vây quanh bởi các phân tử nước xoay phần hydro mang điện dương vào sát. Ta nói rằng các ion của tinh thể muối bị hydrat hóa. (Tổng quát hơn, nếu một dung môi khác nước khiến cho việc gỡ lỏng lực giữa các ion, thì ta nói các ion này bị solvat hóa (solvent = dung môi).) Nếu độ bền của ion nhờ việc hydrat hóa trong dung dịch lớn hơn độ bền của mạng tinh thể, thì muối sẽ bị tan. Natri clorua là một ví dụ quen thuộc cho một muối tan. Ngược lại, nếu năng lượng hydrat hóa quá nhỏ, thì tinh thể sẽ là dạng bền hơn, và nó sẽ không tan trong nước. Bạc clorua (AgCl) và bari sunfat (BaSO4) là những ví dụ về muối không tan. Khi một tinh thể muối tan đi, nó không chỉ tách rời thành từng ion; nó còn bị những phân tử của dung dịch hòa tan nó (hay dung môi) mang đi. Điều này lý giải tại sao muối sẽ không tan trong các dung dịch không phân cực như xăng (octan, C8H18); không có điện tích trong các phân tử dung môi để gây ra sự giảm mất lực hút bên trong tinh thể muối.

Những dung dịch muối đều dẫn điện, và thuộc tính năng đặc biệt quan trọng ngay ở đầu giai đoạn phát triển lý thuyết liên kết hóa học. Sự dẫn điện trong kim loại xảy ra bằng việc dịch chuyển các electron; các ion kim loại vẫn đứng yên tại chỗ. Muối dạng tinh thể không dẫn điện chút nào, nhưng nếu muối đó tan ra, thì các ion dương có thể di chuyển theo một chiều trong dung dịch và các ion âm di chuyển theo chiều ngược lại khi có điện trường. Sự năng động này của ion thậm chí còn lớn hơn nếu muối đã tan trong nước và nhờ vậy ion được hydrat hóa.

Các ion của một tinh thể muối vốn bất động, và cấu trúc muối rất có trật tự. Việc nung chảy một muối, hay hòa tan nó trong một dung môi phân cực như nước, là hai cách khác nhau để phá vỡ trật tự bên trong tinh thể và khiến các ion hoạt động. Việc làm tan muối trong nước là hiện tượng thường thẩy, xảy ra ngay trong nhiệt độ phòng; nhưng ý tưởng làm tan tinh thể muối ăn thì tương đối lạ, vì nó chỉ thực hiện được ở nhiệt độ cao. Lý do là việc tách rời những ion mang điện trái dấu trong quá trình làm tan tinh thể muối đòi hỏi rất nhiều năng lượng. Ngược lại, khi muối tan trong nước, các liên kết cần được bẻ gẫy giữa các ion đã được đối trọng bởi những liên kết mới hình thành giữa các ion và những phân tử nước. Những quá trình vốn rất khó xảy ra đơn độc lại trở nên dễ nếu như sự bù trừ về năng lượng thực hiện được. Ý tưởng này về một cân bằng năng lượng tinh tế có tầm quan trọng và sẽ được nhắc lại trong suốt cuốn sách.

Tóm tắt

Một nguyên tử bao gồm các hạt nhân mang điện dương vây quanh bởi đủ số electron mang điện âm để cho cân bằng về tổng điện tích. Hạt nhân được cấu thành từ những proton mang điện dương và neutron trung hòa về điện, mỗi hạt như vậy có khối lượng xấp xỉ 1 amu. Khối lượng của một electron xấp xỉ 1/1836 khối lượng của proton; điện tích của electron bằng nhưng trái dấu với điện tích của proton. Tổng số proton có trong hạt nhân (hoặc số electron trong nguyên tử trung hòa) là số nguyên tử, Z. Tổng cộng cả số proton và neutron là số khối, và khối lượng của nguyên tử, tính theo amu, được gọi là khối lượng nguyên tử. Khối lượng nguyên tử luôn nhỏ hơn một chút so với tổng khối lượng của tất cả các hạt tham gia tạo thành nguyên tử đó, vì khối lượng được chuyển hóa thành năng lượng và mất đi khi nguyên tử được hình thành.

Tất cả nguyên tử với cùng số proton, và do đó cùng số nguyên tử, được xếp vào chung một nguyên tố và được biểu diễn bởi kí hiệu gồm một hoặc hai chữ cái. Những nguyên tử của cùng nguyên tố có số neutron khác nhau được gọi là các đồng vị của nguyên tố đó. Đồng vị được nhận diện bằng cách viết số khối phía trên bên trái kí hiệu nguyên tố (như 37Cl). Số nguyên tử đôi khi cũng được viết thêm vào phía dưới bên trái (như 3717Cl), dù số này không cần thiết bởi tên của nguyên tố cùng số nguyên tử đã biết đối với kí hiệu này. Mỗi đồng vị của một nguyên tố có khối lượng nguyên tử riêng của nó, và khối lượng nguyên tử tự nhiên là trung bình trọng số của các giá trị đồng vị này, trong đó trọng số sẽ tương ứng vói độ phổ biến của từng đồng vị trong tự nhiên.

Một tập hợp các nguyên tử dính liền nhau bằng liên kết hóa học được gọi là phân tử. Thông thường, dù không phải nhất thiết, liên kết trong phân tử có thể được hiểu theo khái niệm cặp electron, mỗi cặp có nhiệm vụ giữ cho hai nguyên tử ở cạnh nhau. Một liên kết cặp electron như vậy được gọi là liên kết cộng hóa trị. Tổng khối lượng nguyên tử tự nhiên của tất cả những nguyên tử trong một phân tử chính là khối lượng phân tử. Mặc dù nguyên tử trong những phân tử khác nhau thì không trực tiếp liên kết với nhau, nhưng tất cả phân tử đều hơi “dính”, và bị thu hút về phía những phân tử khác. Kiểu lực hấp dẫn van der Waals này sẽ khiesn cho các phân tử của chất khí gắn kết vào nhau để hình thành chất lỏng khi nhiệt độ hạ xuống đủ thấp, và khiến cho các phân tử của chất lỏng gắn với nhau thành một mạng tinh thể có trật tự của chất rắn nếu nhiệt độ còn hạ xuống thấp nữa. Các nhiệt độ tại đó hai trạng thái chuyển tiếp này xảy ra lần lượt là điểm sôi, Tbđiểm tan, Tm.

Nếu hai nguyên tử khác nhau về lực kéo electron cố hữu hay độ âm điện, thì cặp electron của liên kết giữa chúng sẽ bị lệch về phía nguyên tử có sức hút mạnh hơn, khiến nó có điện tích âm, và nguyên tử còn lại có điện tích dương. Liên kết này, và phân tử chứa những liên kết như vậy được gọi là phân cực. Các phân tử phân cực có thể hút lẫn nhau, và chúng cũng có thể hút các ion mang điện âm và dương. Các điểm tan và sôi của phân tử phân cực đều cao hơn so với trường hợp chỉ được giải thích bằng sức hút van der Waal, vì tính phân cực của chúng thể hiện một kiểu liên kết thứ hai giữa các phân tử.

Các khối lượng nguyên tử và phân tử được đo trên một thang đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), trong đó 1 amu được quy định chính xác bằng 1 phần 12 của khối lượng một nguyên tử 12C. Một lượng chất hóa học (nguyên tử, phân tử, hoặc ion) bằng với khối lượng nguyên tử nhưng được tính theo gam thì được định nghĩa là 1 mol chất đó. Một mol của bất kì loại thành phần nào—nguyên tử, phân tử hoặc ion—đều chứa cùng số hạt thành phần đó, gọi là số Avogradro. Đặc tính này khiến cho mol trở thành một phương tiện hữu ích để đếm số hạt chỉ bằng cách cân chúng lên. Đơn vị của khói lượng nguyên tử và khối lượng phân tử là gam trên mol hoặc amu trên phân tử (hoặc amu trên nguyên tử).

Một số nguyên tử, đặc biệt là nguyên tử kim loại, rất lỏng lẻo trong việc nắm giữ electron, và có thể mất đi một, hai hoặc nhiều electron để trở thành một ion dương, hay cation. Nhiều phi kim hoặc nhóm nguyên tử có thể nhận một hay nhiều điện tích âm để trở thành các ion mang điện âm, hay anion. Muối là một hợp chất gồm một số tương đối các cation và anion sao cho trung hòa về điện tích tổng hợp. Muối ăn, NaCl, chứa số các ion Na+ và Cl bằng nhau. Hiện tượng kéo electron ra xa, hoặc lấy hẳn electron đi, được gọi là oxy hóa; còn việc cộng thêm vào hoặc đẩy dịch electron về gần một nguyên tử được gọi là khử. Vì electron không bao giờ được tạo thành hoặc phá hủy trong các phản ứng hóa học, nên một khi một chất được oxy hóa, sẽ có chất khác bị khử.

Những anion đơn được hình thành bằng cách thêm electron vào một nguyên tử thường mang tên kết thúc bằng –ua, như các ion clorua, Cl, và sunfua, S2-. Đối với ion phức hợp của một nguyên tử phi kim với oxy, các ion trạng thái oxy hóa cao hơn và thấp hơn được phân biệt bởi những đuôi tên –at và –it. Trạng thái oxy hóa của một cation kim loại được biểu thị bởi một số La Mã theo sau tên kim lại, như với Fe3+, sắt(III), haowjc bằn các đuôi tên –ic và –ơ (-ous).

Dù các muối khong có phân tử riêng biệt, và nói chặt chẽ, không thể có khối lượng phân tử, song chúng có công thức hóa học để biểu diễn thành phần tổng thể theo cách đơn giản nhất có thể. Khối lượng của một mol những nguyên tử này được gọi là khối lượng công thức của muối đó, nhưng cũng thường được gọi quen với tên “khối lượng phân tử” của muối. Do vậy, trong ma-giê clorua cứ một ion Mg2+ lại ứng với hai ion Cl; với điện tích tổng hợp bằng không, công thức hóa học là MgCl2, và khối lượng phân tử bằng 95,211 g mol-1.

Số liên kết trong một ion phức hợp hoặc phân tử là số các nguyên tử hoặc nhóm hóa học liên kết trực tiếp với nguyên tử trung tâm. Những nhóm liên kết này có thể là ion đơn như O2- và Cl hoặc phân tử như amoni (NH3) và nước (H2O). Số liên kết hóa học tối đa đối với từng nguyên tử trung tâm thì phụ thuộc vào kích thước nguyên tử này và kích thước của những nhóm xung quanh nó. Các số liên kết thường gặp nhất là 2, 3, 4, và 6.

Muối có điểm tan và điểm sôi cao hơn các chất có phân tử rời, vì cần phải cung cấp nhiệt năng mới có thể phá vỡ cấu trúc tinh thể bền vững, và thêm nhiệt năng nữa để buộc các ion dương và âm cặp đôi và chia sẻ electron trong những phân tử trung hòa thì mới chuyển thành thể khí được. Tuy nhiên, muối thường tan ngay trong nước vì sự hấp dẫn từ phía các phân tử nước có thể bù lại sự hấp dẫn từ những ion khác trong tinh thể. Các ion vây quanh bởi những phân tử nước phân cực trong dung dịch được gọi là bị hydrat hóa. Xăng và những dung dịch không phân cực khác không thể hòa tan muối được vì chúng không có lực hút các ion đáng kể so với lực hút giữa các ion với nhau trong muối.

Câu hỏi tự học

  1. Những loại hạt nào có trong hạt nhân của nguyên tử? Mỗi loại hạt mang điện gì? Hạt nhân có điện tích không, đó là điện tích âm hay dương?
  2. Theo đáp án của bạn cho Câu 1, vậy tại sao nguyên tử lại trung hòa về điện? Điều gì đã khiến cho nó trung hòa?
  3. Loại hạt nào có ảnh hưởng nhất đến biểu hiện hóa học quan sát được của nguyên tử? Tại sao?
  4. Đâu là sự khác biệt giữa khối lượng nguyên tử, số nguyên tử, và số khối? Trong số chúng, đại lượng nào có liên quan nhiều nhất đến biểu hiện hóa học của nguyên tử, và tại sao? Tất cả những nguyên tử có cùng số này được gọi là gì?
  5. Đồng vị là gì? Liệu tất cả các đồng vị của một nguyên tố phải có cùng (a) khối lượng nguyên tử / (b) số nguyên tử / (c) số khối hay không ?
  6. Kí hiệu của một nguyên tố được chọn thế nào? Nó có liên quan gì đến tên gọi nguyên tố đó?
  7. Trong đồng vị bari-138, liệu 138 là khối lượng nguyên tử, số nguyên tử, hay số khối? Trong nguyên tử bari-138 có bao nhiêu proton, electron, và neutron? Cách viết đúng của đồng vị này là cái nào trong số: (a) 138Ba; (b) 138Ba; (c) Ba138 ?
  8. Khối lượng nguyên tử quan sát được trong tự nhiên của bari là 137,38 g mol-1. Hãy đưa ra ba lí do để giải thích tại sao nó không trùng với con số 138 ở Câu 7.
  9. Giá trị của độ hụt khốinăng lượng liên kết bằng bao nhiêu, tính theo khói lượng nguyên tử?
  10. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, có trong danh sách ở bìa sau quyển này, liên hệ thế nào với các khói lượng nguyên tử của những đồng vị nguyên tố đó?
  11. Phân tử là gì? Liết kết cặp electron chung giữa hai nguyên tử trong một phân tử được gọi là gì?
  12. Các công thức phân tử của hydro, clo oxy, nước, mê-tan, mê-ta-nol, hydro sulfit, và amoni là gì?
  13. Hình dáng của các phân tử đề cập trong Câu 12 như thế nào? Hãy phác họa dạng hình học của những liên kết quanh nguyên tử trung tâm trong nước, hydro sunfit, amoni, và mê-tan.
  14. Khối lượng một phân tử liên hệ với khối lượng của các nguyên tử chứa trong phân tử đó như thế nào?
  15. Có bao nhiêu mol phân tử clo trong một mol khí clo? Có bao nhiêu nguyên tử clo trong 1 mol khí clo?
  16. Có bao nhiêu mol phân tử khí hydro tạo thành được từ 1 mol nguyên tử hydro?
  17. tại sao khí cô đặc thành chất lỏng khi nhiệt độ hạ xuống đủ thấp? Tại sao chất lỏng đông thành chất rắn khi nhiệt độ hạ xuống thấp nữa?
  18. Tại sao điểm sôi và điểm tan của các phân tử phân cực lại cao hơn của những phân tử không phân cực có cùng kích thước?
  19. Tại sao điểm sôi và điểm tan của muối ăn thậm chí còn cao hơn của các phân tử phân cực khác?
  20. Độ âm điện là gì? Hiệu số độ âm điện của hai nguyên tử tham gia liên kết có ảnh hưởng thế nào đến liên kết giữa chúng?
  21. Một mol chất là gì? Giữa 1 mol hydro và 1 mol mê-tan, lượng nào có nhiều hạt hơn?
  22. Nếu các phân tử hydro và mê-tan ở Câu 21 bị tách rời thành những nguyên tử, thì cái nào sẽ cho ra nhiều nguyên tử hơn? Một mol mê-tan sẽ cho ra bao nhiêu nguyên tử?
  23. Cần bao nhiêu mol nguyên tử oxy để tạo nên 1 mol phân tử nước? Lượng này tương đương với bao nhiêu mol phân tử khí oxy?
  24. Giữa Na và Cl, nguyên tử nào có độ âm điện cao hơn? Điều này ảnh hưởng đến điện tích trong các ion của natri clorua, NaCl, như thế nào?
  25. Muối là gì? Natri clorua là một muối, và nó chứa số anion và cation bằng nhau. Tại sao có những muối trong đó số anion và cation khác nhau?
  26. Có các phân tử trong muối hay không? Khi nói khối lượng phân tử của muối, điều này có ý nghĩa gì? Có bao nhiêu ion natri có trong 1 mol natri clorua?
  27. Điện tích trên ion hydrua là gì, nếu căn cứ theo đuôi tên -ua? Một ví dụ là liti hydrua, LiH. Cái này có hợp lý với suy luận của bạn trong câu hỏi trên không?
  28. Công thức CuCl là để kí hiệu cho đồng(I) clorua. Tại sao BeO lại không kí hiệu cho beri(I) oxit? Vậy BeO kí hiệu cho gì?
  29. Tại sao Cu2+ là ion cupric, trong khi Fe2+ (cùng điện tích) lại là ion fe-rơ? Các tên gọi hiện đại cho những ion này là gì?
  30. Oxy hóa và khử là gì?
  31. Oxy có độ âm điện cao hơn bất kì nguyên tố nào khác trừ flo. Theo đó, tại sao hợp chất của nguyên tố khác với oxy lại dẫn đến sự khử của nguyên tố đó, dựa trên định nghĩa của khử trong chương này? Khi đòng bị oxy hóa thành Cu2+ trong CuO, chất nào đã bị khử?
  32. Trong các oxyanion (anion có chứa oxy) của clo, các đầu tên per-hypo- biểu thị cho điều gì?

Bài tập

Kí hiệu hóa học

  1. Có sáu nguyên tố có tên bắt đầu bằng chữ R. Để tránh trùng lặp, tên gọi của chúng được biến đổi từ tên gốc như thế nào?
  2. Có bốn nguyên tố có tên bắt đầu bằng chữ G. Chúng được phân biệt thế nào qua kí hiệu nguyên tử? Một kí hiệu bản thân nó lại không bắt đầu bằng G. Đó là kí hiệu nào, và theo ý bạn thì kí hiệu này có thể bắt nguồn từ đâu?

Khối lượng nguyên tử dự kiến

  1. Có bao nhiêu proton và neutron có trong một ngyên tử nhôm-27? Có bao nhiêu electron trong đó? Khối lượng nguyên tử dự kiến bằng bao nhiêu? So sánh con số này với giá trị quan sát được ở bìa sau cuốn sách, với lưu ý rằng nhôm chỉ có một đồng vị tự nhiên. Bạn giải thích sự khác biệt về khối lượng nguyên tử này thế nào?
  2. Khối lượng nguyên tử dự kiến của niobi-93 bằng bao nhiêu? Có bao nhiêu proton, neutron, và electron có trong một nguyên tử? Nguyên tố này chỉ có một đồng vị tự nhiên là 93Nb. Giá trị khối lượng nguyên tử mà bạn tính được so với con số ở bìa sau cuốn sách bằng bao nhiêu? Tại sao có sự khác biệt này?

Cấu trúc nguyên tử

  1. Có bao nhiêu electron, proton, và neutron có trong một nguyên tử nitơ-14? Kí hiệu của nó kèm theo cả chỉ số dưới và trên như thế nào? Nguyên tử nitơ-14 sẽ trở thành thứ gì khi có thêm neutron được bổ sung vào hạt nhân của nó? Điều này sẽ ảnh hưởng gì đến số electron quanh hạt nhân? Nguyên tử nitơ-14 sẽ trở thành thứ gì khi có thêm proton được bổ sung vào hạt nhân của nó? Điều này sẽ ảnh hưởng gì đến tổng số electron?
  2. Có bao nhiêu proton, neutron và electron trong một nguyên tử lưu huỳnh-32? Kí hiệu nguyên tử của nó (kèm theo cả chỉ số dưới và trên) là gì? Nguyên tử nitơ-14 sẽ trở thành thứ gì khi có bị lấy đi một vài neutron từ hạt nhân của nó, và điều này sẽ ảnh hưởng gì đến số electron có mặt? Nguyên tử này sẽ trở thành thứ gì khi có một vài proton được lấy đi khỏi hạt nhân của nó, và điều này sẽ ảnh hưởng gì đến tổng số electron?

Khối lượng nguyên tử tự nhiên

  1. Kẽm, Zn có năm đồng vị bền, với độ phong phú và khối lượng nguyên tử trong tự nhiên của từng loại như sau:
a)  48,89% … 63,9291 amu
b)  27,81% … 65,9260 amu
c)  4,11% … 66,9271 amu
d)  18,54% … 67,9249 amu
e)  0,62% … 69,9253 amu

Có bao nhiêu proton và neutron tồn tại trong từng đồng vị? Kí hiệu của từng đồng vị này là gì? (Chỉ dùng chỉ số trên.) Khối lượng nguyên tử của kẽm tồn tại trong tự nhiên bằng bao nhiêu?

  1. Từ số liệu ở bìa sau cuốn sách này, theo bạn thì stronti trong tự nhiên có một hay nhiều đồng vị? Hãy dùng Bảng đồng vị trong cuốn sổ tay CRC Handbook of Chemistry and Physics (hoặc một tài liệu tham khảo tương tự) để tìm ra có bao nhiê đồng bị của stronti tồn tại, và độ phong phú tự nhiên của chúng tính theo phần trăm.Từ số liệu này, hãy tính khối lượng phân tử trung bình rồi so sánh với con số ghi ở bìa sau cuốn sách.
  2. Đồng tồn tại trong tự nhiên dưới dạng hỗn hợp của hai đồng vị, một có độ phong phú 69,09% và khối lượng nguyên tử 69,9898 amu / nguyên tử. Vậy khối lượng nguyên tử của đồng vị kia là gì, biết khối lượng nguyên tử tự nhiên được ghi ở bìa sau cuốn sách.
  3. Ga-li có hai đồng vị có khối lượng nguyên tử bằng 68,9253 và 70,9249. Trong từng loại nguyên tử có bao nhiêu proton và neutron? Độ phong phú tự nhiên của từng đồng vị tính theo phần trăm bằng bao nhiêu, biết khối lượng nguyên tử trung bình ghi ở bìa sau cuốn sách?

Số Avogadro

  1. Thứ nào có nhiều nguyên tử hơn, 1 g bo hay 1 g nhôm? Mỗi thứ có chứa bao nhiêu phân tử? Thứ nào có chứa nhiều nguyên tử hơn, 1 mol bo hay 1 mol nhôm?
  2. Thứ nào có nhiều nguyên tử hơn, 1 g neon hay 1 g natri? Mỗi thứ có chứa bao nhiêu phân tử? Cần bao nhiêu g natri để có cùng số nguyên tử như 1 g neon?
  3. Có bao nhiêu nguyên tử trong 0,00745 g dây tóc bóng đèn (von-fram/tungsten)?
  4. Khối lượng tính bằng gam của 7,63  ×  1020 nguyên tử a-sen là bao nhiêu?

Khối lượng phân tử

  1. Khối lượng phân tử của carbon tetrabromua, CBr4 bằng bao nhiêu? Có bao nhiêu phân tử trong 8,50 g hơi CBr4?
  2. Có bao nhiêu nguyên tử ni-tơ có trong 25,00 g N2O4? Khi bị phá vỡ thành N2 và O2, lượng hợp chất này sẽ sinh ra bao nhiêu mol khí N2 ?
  3. Khối lượng phân tử của axit oxalic, (COOH)2 hay HOOC-COOH là bao nhiêu? Có bao nhiêu g carbon có trong 100 g axit oxalic?
  4. Khối lượng phân tử của amino axit alanin, C3H7O2N, bằng bao nhiêu?

Bảo toàn khối lượng

  1. Loại quặng phổ biến của đồng là Cu2O; nó được chuyển hóa thành kim loại đồng qua việc nung với carbon từ than cốc hoặc than củi:

2Cu2O + C  →  4Cu + CO2

Phần trăm của đồng tính theo khối lượng có trong Cu2O là bao nhiêu? Có bao nhiêu gam đồng có trong một kg quặng này? Cần bao nhiêu gam carbon để bản ứng hết với 1 kg quặng đó? Sẽ có bao nhiêu gam, và bao nhiêu mol carbon đi-oxit được tạo nên? Từ tính toán của bạn, hãy chỉ ra rằng tổng khối lượng của quặng và của carbon đúng bằng với khối lượng đồng và CO2 sau phản ứng.

  1. Quặng sắt được tách bằng cách nung nóng nó với than củi theo phản ứng

 2Fe2O3 + 3C  →  4Fe + 3CO2

Phần trăm sắt tính theo khối lượng trong quặng sắt này bằng bao nhiêu? Cần bao nhiêu carbon để tách một tấn (1000 kg) quặng sắt? Sẽ tạo nên bao nhiêu kg sắt, và bao nhiêu khí carbon đi-oxit thoát ra? Hãy cho thấy rằng không có thay đổi về tổng khối lượng các chất tham gia và các sản phẩm tạo thành qua quá trình phản ứng. (Hỏi: Những người Anatoli nguyên thủy phát hiện ra sắt bằng cách nào? Đáp: Họ tách nó.)

Hợp chất ion

  1. Hãy viết công thức hóa học của các hợp chất sau
  1. liti sunfua
  2. kẽm phốt-phát
  3. can-xi sunfat
  4. uranyl oxalat
  5. kẽm hexacyanoferrat(III)
  6. ferric sunfat
  7. crômic florua
  1. Hãy viết công thức hóa học của các hợp chất sau:
    1. canxi phốt-phát
    2. thủy ngân axetat
    3. amoni hexacyanoferrat(II)
    4. ma-giê nitrit
    5. stan-nơ clorua
    6. kali permanganat
    7. bari carbonat
    8. bạc asenit
  2. Các hợp chất sau tan trong nữa. Hãy gọi tên chúng và viết những phương trình cho thấy các ion được tạo thành khi hòa tan những muối này:
    1. (NH4)2Cr2O7
    2. [Ag(NH3)2]Cl
    3. Na3PO4
    4. Fe(NO3)2
    5. Fe(NO3)3
    6. K2C2O4

 Số liên kết

  1. Số liên kết của Pt trong tetraaminplatin(II) sunfat bằng bao nhiêu?
  2. Số liên kết của carbon trong CO, trong CO2, trong CCl4 bằng bao nhiêu?
  3. Số liên kết của Cr trong cromat bằng bao nhiêu?

Tài liệu nên tìm đọc

R. E. Dickerson và I. Geis, Chemistry, Matter, and the Universe, Benjamin/Cummings, Menlo Park, Calif., 1976. So với quyển sách này thì có phần đơn giản hơn trong cách giới thiệu môn hóa học, nhấn mạnh về cách mô tả và hình minh họa, và ít toán hơn. Được minh họa nhiều bằng hình vẽ bởi Irving Geis. Nhấn mạnh về hóa sinh học.

W. F. Kiefer, The Mole Concept in Chemistry, Reinhold, New York, 1962. Khái niệm về mole, và áp dụng nó trong tính toán hóa học.

H. M. Leicester, The Historical Background of Chemistry, Dover, New York, 1971. Một quyển giới thiệu hóa học rất dễ đọc, đề cập đến những nhà giả kim thuật Hi Lạp, Ả Rập và thời trung cổ, quá trình phát triển của hóa học mới sau Lavoisier và Dalton, cùng những tiến bộ của các ý tưởng hóa học mới cho đến kỉ nguyên của hóa lượng tử.

Lucretius, The nature of the Universe (De Rerum Natura), Penguin, London, 1967. Một bản dịch theo lối nói vo từ những ghi chép hay nhất mà chusngt a còn lưu giữ được về lý thuyết nguyên tử của Democritus và những môn đề của triết gia người Hi Lạp, Epicurus.

Bảng tra khối lượng nguyên tửtải về


  1. Một đơn vị angstrom (Å) bằng 10-10 m, hay 10-8 cm. Các đơn vị trong hệ SI (Système International) được trình bày trong Phụ lục 1. Các số mũ viết theo kí hiệu khoa học được trình bày trong Phụ lục 3.
  2. Biểu thức “g mol-1” cần được đọc là “gam trong mỗi mol”. Theo cách viết này, đơn vị vận tốc mét trên giây được viết là “m s-1.”
  3. Ngoại lệ là oxit (O2-).

Đáp án các bài tập số lẻ

Ở cuối từng chương, các bài tập thường được ghép đôi; bài tập số lẻ đi trước rồi đến bài tập số chẵn để minh họa cho cùng luận điểm hoặc phương pháp đó. Ở đây có đáp án của những bài tập số lẻ mà bạn có thể dùng để tự kiểm trẻ, còn bài tập số chẵn không có sẵn đáp án, bạn có thể dùng chúng để kiểm tra trên lớp và cho bài kiểm tra mang về nhà. Nếu bạn được giao bài tập số chẵn mà cảm thấy không thể giải được, thì đầu tiên hãy thử làm bài tập đứng liền trước nó rồi kiểm tra kết quả được liệt kê trong mục Đáp án này. (Trên trang web chúng tôi ghi đáp án bằng font chữ màu trắng ở ngay sau con số thứ tự bài tập để bạn cần riêng kết quả bài nào thì di chuột lựa chọn là sẽ nhìn thấy đáp án của bài đó.)
1. RAdium so với RadoN; RHodium với RhEnium; RUthenium với RuBidium.

3. 13 proton; 27 – 13 = 14 nơ-tron; 13 electron. Khối lượng nguyên tử dự kiến = 27,223 amu. Theo đo đạc = 26,982. Khối lượng chuyển hóa thành năng lượng khi hạt nhân được hình thành.

5. 7 e, 7 p, 7 n; 714N; 715N; Không ảnh hưởng; 815O; Thêm một electron.

7. Luôn có 30 electron. (a) 34 n, 64Zn; (b) 36 n, 66Zn; (c) 37 n, 67Zn; (d) 38 n, 68Zn; 65,366 amu.

9. 64,923 amu

11. 1 g bo có nhiều nguyên tử hơn: 5,57 × 1022 nguyên tử so với 2,23 × 1022 nguyên tử trong mỗi g nhôm. Cùng số nguyên tử trong mỗi mol.

13. 2,44 × 1019 nguyên tử

15. 331,6 amu; 1,54 × 1022 nguyên tử

17. 90,03 amu; 26,7 g cacbon

19. 88,8% Cu; 888 g Cu; 42,0 g C; 153,8 g CO2 hay 3,49 mol.
1000 g Cu2O = 42,0 g C = 1042 g
888 g Cu + 153,8 g CO2 = 1042 g

21. Li2S; Zn3(PO4)2; CaSO4; UO2C2O4; Zn3[Fe(CN)6]2; Fe2(SO4)3; CrF3

23. a) Ammoni đi-cromat

(NH4)2Cr2O7 \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} 2NH4+ (dd) + Cr2O72- (dd)

    b) Đi-amin-bạc(I) clorua

[Ag(NH3)2]Cl \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} Ag(NH3)2+ (dd) + Cl (dd)

   c) Natri phốt-phát

Na3PO4 \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} 3Na+ (dd) + PO43- (dd)

   d) Sắt(II) nitrat hoặc ferrơ nitrat

Fe(NO3)2 \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} Fe2+ (dd) + 2NO32- (dd)

   e) Sắt(III) nitrat hoặc ferric nitrat

Fe(NO3)3 \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} Fe3+ (dd) + 3NO32- (dd)

    f) Kali oxalat

K2C2O4 \underrightarrow{\mathrm{H_{2}O}} 2K+ (dd) + C2O42- (dd)

Lưu ý: Nhiều sản phẩm ion nêu trên sẽ chịu sự thủy phân, nghĩa là, một phản ứng phân chia phân tử nước. Những phản ứng như vậy, đi kèm theo hiện tượng ion hóa ban đầu, sẽ không được đề cập đến ở đây.

25. Lần lượt là 1, 2, và 4

3 phản hồi

Filed under Nguyên lý hóa học, Tin học

3 responses to “Chương 1: Nguyên tử, phân tử, và ion

  1. Pingback: Những nguyên lý hóa học | Blog của Chiến

  2. cho biết kích thước phân tử H2O ở 37độ và CO2,O2 dạng khí ? cảm on nhiều !!!

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s