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. Show Đê-mô-crit (400 tCN) Các khái niệm cơ bản1. 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. 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 tửMột 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. 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 proton và neutron (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. 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 vịMặc 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 1735Cl và 1735Cl. 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-35 và clo-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 α0 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. 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. 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? 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. 1-3 Phân tửSự 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 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: 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 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. 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? 1-4 Lực tương tác giữa các phân tửDù 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. 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. 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 molĐến 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)? Ví dụ 10 Có bao nhiêu nguyên tử trong 0,070 g vàng? Ví dụ 11 Có bao nhiêu phân tử có trong 0,10 g khí hydro? Bao nhiêu nguyên tử? 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? 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 IonÝ 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–:
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. 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- là 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. |
