Giáo trình Hóa đại cương (Mã môn học: PETR63001) – Trường Cao đẳng Dầu khí


Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hóa đại cương (Mã môn học: PETR63001) được ban hành kèm theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do tập thể tác giả gồm Ks. Phạm Thị Hải Yến (Chủ biên), ThS. Nguyễn Thị Thùy và Phạm Công Quang biên soạn tại Bà Rịa – Vũng Tàu phục vụ công tác đào tạo nội bộ trình độ Cao đẳng.

Trong khung chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, nghề Khoan khai thác dầu khí và nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Hóa đại cương là môn học thuộc nhóm kỹ thuật cơ sở (gồm 3 tín chỉ, tổng thời lượng 45 giờ). Môn học được bố trí giảng dạy ở giai đoạn đầu nhằm tạo tiền đề kiến thức hóa học trước khi sinh viên tiếp cận các môn học, mô-đun chuyên môn nghề.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể qua ba chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1): Trình bày có hệ thống bản chất hóa lý của các nguyên tố, đơn chất, hợp chất vô cơ và hydrocacbon hữu cơ quan trọng; nắm vững nguyên tắc điều chế và ứng dụng thực tiễn của chúng.
  • Về kỹ năng (B1): Thiết lập chính xác các phương trình phản ứng hóa học, giải quyết các dạng bài toán tính toán định lượng và vận dụng bản chất biến đổi hóa học vào quá trình tiếp thu các học phần kỹ thuật chuyên ngành.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong nghiêm túc, cẩn trọng, kỷ luật và khả năng hợp tác nhóm trong quá trình học tập và làm việc kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 6 chương phân bổ qua 45 giờ học lý thuyết và kiểm tra, thiết kế theo hướng tinh giản, tập trung vào những chất hóa học và quá trình phản ứng gắn liền với công nghệ dầu khí.


Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung 6 chương được sắp xếp theo logic diễn tiến từ cấu trúc nguyên tử đến các hệ chất vô cơ và dẫn xuất hydrocacbon hữu cơ:

  1. Chương 1: Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học (5 giờ): Trình bày nguyên lý sắp xếp bảng tuần hoàn (dạng bảng dài 18 nhóm và bảng ngắn 8 nhóm); cấu trúc ô nguyên tố, chu kỳ (nhỏ 1-3, lớn 4-7) và nhóm (A và B); quy luật biến thiên tuần hoàn về bán kính nguyên tử, độ âm điện, tính kim loại – phi kim, tính axit – bazơ của oxit và hydroxit.
  2. Chương 2: Các hợp chất phi kim đặc trưng (8 giờ): Trình bày cấu tạo nguyên tử, tính chất hóa lý, phương pháp điều chế và ứng dụng của oxy ($O_2$), ozon ($O_3$), lưu huỳnh ($S$), hydro sunfua ($H_2S$), lưu huỳnh đioxit ($SO_2$), lưu huỳnh trioxit ($SO_3$), axit sunfuric ($H_2SO_4$), cacbon và các dạng thù hình (kim cương, than chì, than vô định hình, fuleren), cacbon monooxit ($CO$), cacbon đioxit ($CO_2$) cùng các muối cacbonat.
  3. Chương 3: Các hợp chất kim loại đặc trưng (8 giờ): Khảo sát cấu hình electron, tính khử và ứng dụng của kim loại kiềm (Natri), kiềm thổ (Canxi), kim loại lưỡng tính (Nhôm) và kim loại chuyển tiếp nhóm d (Sắt); mô tả tính chất các hợp chất tương ứng như $NaOH, NaCl, NaHCO_3, Na_2CO_3, CaO, Ca(OH)_2, CaCO_3, Al_2O_3, Al(OH)_3, KAl(SO_4)_2\cdot12H_2O, FeO, Fe_2O_3, Fe(OH)_2, Fe(OH)_3$ và các muối sắt (II), sắt (III).
  4. Chương 4: Các hợp chất hydrocacbon no (8 giờ): Phân tích cấu trúc lai hóa $sp^3$ dạng tứ diện, góc liên kết $109{,}5^\circ$, cấu dạng xen kẽ và che khuất của ankan; hệ thống danh pháp IUPAC; cơ chế phản ứng thế halogen theo chuỗi gốc tự do ($S_R$) và thế ái điện tử; quy luật chọn lọc vị trí thế ở cacbon bậc I, II, III.
  5. Chương 5: Các hợp chất hydrocacbon không no (8 giờ): Khảo sát cấu trúc liên kết đôi, liên kết ba, đồng phân hình học (cis/trans), danh pháp, hằng số vật lý và tính chất hóa học đặc trưng của anken, ankin; phương pháp điều chế và ứng dụng kỹ thuật.
  6. Chương 6: Các hợp chất hydrocacbon thơm (8 giờ): Trình bày cấu trúc vòng benzen, danh pháp đồng đẳng, tính chất vật lý – hóa học, phản ứng thế/cộng ở nhân thơm và các hợp chất thơm đa nhân, dẫn xuất cao su buna-S và polyme.
Chương Tên chương Số giờ lý thuyết Trọng tâm kiến thức
Chương 1 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học 5 Quy luật tuần hoàn Mendeleev, cấu trúc chu kỳ, phân nhóm A/B
Chương 2 Các hợp chất phi kim đặc trưng 7 Oxi, Lưu huỳnh ($H_2S, SO_2, H_2SO_4$), Cacbon ($CO, CO_2, \text{muối cacbonat}$)
Chương 3 Các hợp chất kim loại đặc trưng 8 Natri, Canxi, Nhôm, Sắt và các hệ oxit, hydroxit, muối
Chương 4 Các hợp chất hydrocacbon no 7 Cấu tạo tứ diện, cấu dạng etan, danh pháp IUPAC, cơ chế clo hóa ankan
Chương 5 Các hợp chất hydrocacbon không no 8 Đồng phân cis-trans, tính chất hóa học anken, ankin
Chương 6 Các hợp chất hydrocacbon thơm 7 Cấu trúc nhân benzen, tính chất hóa lý, polyme và cao su buna-S

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố các nguyên lý hóa học cơ bản:

  • Định luật tuần hoàn Mendeleev: Mối liên hệ giữa điện tích hạt nhân, cấu hình electron với tính chất biến thiên của đơn chất và hợp chất.
  • Thuyết cấu tạo hóa học và liên kết: Bản chất liên kết cộng hóa trị không cực, liên kết ion, lực hút hạt nhân và bán kính nguyên tử.
  • Nhiệt động và cân bằng hóa học: Các phản ứng thuận nghịch chuyển dịch theo nhiệt độ và nồng độ (như phản ứng phân hủy canxi cacbonat $\text{CaCO}_3 \rightleftharpoons \text{CaO} + \text{CO}_2$).
  • Cơ chế phản ứng hữu cơ: Quá trình phân cắt đồng ly tạo gốc tự do trong phản ứng thế halogen của ankan, giải thích sự chênh lệch tỉ lệ tốc độ thế tương đối ở cacbon bậc III, II, I ($5{,}0 : 3{,}8 : 1{,}0$ ở $25^\circ\text{C}$).
Cơ chế thế gốc tự do Halogen hóa Ankan:
Khơi mào:    Cl-Cl --(as/t°)--> 2 Cl•
Phát triển:  Cl• + R-H -------> R• + HCl
             R• + Cl-Cl ------> R-Cl + Cl•
Đứt mạch:    R• + Cl• --------> R-Cl

Kỹ năng phát triển

Tài liệu cung cấp nền tảng để người học rèn luyện:

  • Kỹ năng tính toán định lượng: Giải các bài toán nồng độ phần trăm ($C%$), xác định kim loại qua phản ứng giải phóng khí $H_2$, tính toán khối lượng oxit kim loại khi khử bằng $CO$ hoặc $H_2$, phản ứng trung hòa axit – bazơ.
  • Kỹ năng viết phương trình phản ứng: Thiết lập chính xác các phản ứng oxi hóa – khử phức tạp ($Fe, Al$ tác dụng với axit đặc nóng $H_2SO_4, HNO_3$; phản ứng nhiệt nhôm điều chế kim loại).
  • Kỹ năng phân tích cấu trúc: Gọi tên hợp chất theo IUPAC, vẽ và nhận diện cấu dạng che khuất/xen kẽ, xác định đồng phân cấu tạo và đồng phân hình học.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình xác định phương pháp giảng dạy theo định hướng dạy học tích cực, kết hợp các phương thức:

  • Người dạy: Thiết kế giáo án tích hợp theo bài học/buổi dạy; áp dụng phương pháp nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, đưa ra bài tập tình huống thực tế và câu hỏi thảo luận; phân chia nhóm nhỏ để kiểm tra mức độ tiếp thu.
  • Người học: Phải chủ động chuẩn bị bài học tại nhà từ các nguồn học liệu được cung cấp; tham gia các nhóm thảo luận (2-3 người học/nhóm) để cùng giải quyết các chủ đề được giao trước khi học trên lớp.

Phương thức đánh giá kết quả

Hệ thống đánh giá tuân thủ Quy chế đào tạo Cao đẳng chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH với tỷ trọng cụ thể:

  • Điểm đánh giá quá trình (Trọng số 40%): Bao gồm 1 cột điểm kiểm tra thường xuyên (sau 5 giờ giảng, hình thức vấn đáp/quan sát bảng kiểm) và 2 cột điểm kiểm tra định kỳ (sau 15 giờ học, hình thức viết tự luận hoặc trắc nghiệm khách quan).
  • Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Tổ chức thi sau 45 giờ đào tạo bằng hình thức trắc nghiệm trên máy tính hoặc tự luận.
  • Thang điểm: Chấm theo thang điểm 10, làm tròn đến một chữ số thập phân.
  • Quy định chuyên cần: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% số buổi lý thuyết; trường hợp vắng trên 30% thời lượng quy định bắt buộc phải đăng ký học lại môn học.

Điểm nổi bật và ứng dụng thực tiễn ngành dầu khí

Giáo trình lồng ghép trực tiếp các kiến thức hóa học cơ bản vào dây chuyền công nghệ khoan, khai thác và chế biến dầu khí:

  • Công nghệ làm sạch và chế biến khí tự nhiên: Giáo trình phân tích tác hại ăn mòn và gây độc của các tạp chất chứa trong dòng khí khai thác như $CO_2, H_2S, COS, CS_2$, mercaptan ($RSH$), thiophen; trình bày quy trình ứng dụng hỗn hợp etanol amin và etylen glycol trong công nghiệp để hấp thụ đồng thời $CO_2, H_2S$ và tách nước khỏi khí thô nhằm sản xuất khí thương phẩm (sale gas), khí hóa lỏng ($LPG, LNG$) và condensat.
  • Xúc tác và vật liệu phụ trợ trong lọc hóa dầu: Trình bày vai trò của muối nhôm clorua ($AlCl_3$) làm xúc tác trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ và chế biến dầu mỏ; ứng dụng của dung dịch natri cacbonat ($Na_2CO_3$) trong việc tẩy rửa dầu mỡ trên chi tiết cơ khí; ứng dụng than hoạt tính trong xử lý hấp thụ; ứng dụng của polyme và cao su buna-S làm săm lốp, gioăng đệm kín trong thiết bị đường ống dầu khí.
  • Hiện tượng ăn mòn và bảo vệ thiết bị mỏ: Cung cấp cơ sở lý thuyết về sự thụ động hóa kim loại ($Fe, Al$) trong môi trường axit đặc nguội; quá trình xâm thực đá vôi bởi nước chứa $CO_2$ và sự hình thành cặn canxi cacbonat bám dính trong đường ống, bình tách và thiết bị trao đổi nhiệt.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Sinh viên: Dành cho người học trình độ Cao đẳng các ngành kỹ thuật dầu khí (Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí) tại Trường Cao đẳng Dầu khí.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Người học cần có kiến thức hóa học phổ thông cơ bản để tiếp thu các khái niệm về bảng tuần hoàn, hóa trị, phương trình phản ứng và danh pháp hydrocacbon.
  • Giảng viên: Sử dụng làm căn cứ chuẩn để lập đề cương chi tiết, thiết kế bài giảng lý thuyết và xây dựng ngân hàng câu hỏi thi kết thúc môn học.
  • Cán bộ kỹ thuật và tự học: Dùng làm tài liệu tra cứu các hằng số vật lý của ankan, anken, ankin, quy tắc an toàn khi tiếp xúc với axit mạnh ($H_2SO_4$) và khí độc hại ($H_2S, CO$).

Câu hỏi thường gặp

 [?] 1. Giáo trình này dành cho đối tượng nào?
 [?] 2. Cần điều kiện tiên quyết gì trước khi học?
 [?] 3. Điểm khác biệt so với giáo trình hóa đại cương thông thường?
          tác dầu mỏ và xử lý ăn mòn thiết bị.
 [?] 4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào?
 [?] 5. Tài liệu tham khảo chính của giáo trình là gì?

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho sinh viên hệ Cao đẳng thuộc các ngành Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí và Vận hành thiết bị chế biến dầu khí theo khung chương trình của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức văn hóa trung học phổ thông, đặc biệt là kiến thức hóa học cơ bản về cấu tạo nguyên tử, phản ứng vô cơ và các nhóm chất hữu cơ đơn giản để có thể giải quyết các bài toán tính toán và cơ chế phản ứng.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu hóa đại cương thuần lý thuyết?

Giáo trình lược bỏ các phần lý thuyết lượng tử phức tạp, tập trung trực tiếp vào 6 nhóm bài học gắn với kỹ thuật dầu khí: hóa học các khí tạp chất ăn mòn ($H_2S, CO_2$), công nghệ hấp thụ khí bằng amin/glycol, cơ chế phản ứng clo hóa ankan và ứng dụng của các hợp chất cao phân tử trong công nghiệp.

4. Làm sao để tự học hiệu quả môn học này?

Người học cần tuân thủ hướng dẫn tự học: đọc trước tài liệu giáo trình và tài liệu tham khảo theo đề cương phân công; làm việc theo nhóm 2-3 người để thảo luận các câu hỏi tình huống; hoàn thành đầy đủ hệ thống bài tập tự luận và câu hỏi ôn tập được bố trí ở cuối mỗi chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Giáo trình trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo tiêu chuẩn gồm:

  1. Nguyễn Thế Ngôn, Giáo trình Hoá học vô cơ, NXB Đại học Sư phạm.
  2. Ngô Thị Thuận, Bài tập Hoá vô cơ, NXB Giáo dục.
  3. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ (Tập 1, 2, 3), NXB Giáo dục.
  4. Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỗ Đình Rãng, Hóa học hữu cơ (Tập 1, 2, 3), NXB Giáo dục.
  5. Trần Quốc Sơn, Đặng Văn Liếu, Giáo trình cơ sở hóa học hữu cơ (Tập 1), NXB Đại học Sư phạm.

Kết luận

Giáo trình Hóa đại cương (PETR63001) của Trường Cao đẳng Dầu khí hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về bảng tuần hoàn, các hợp chất vô cơ phi kim/kim loại đặc trưng và các họ hydrocacbon no, không no, thơm. Tài liệu đóng vai trò là học phần kỹ thuật cơ sở trong tiến trình đào tạo nghề dầu khí, liên kết trực tiếp với các mô-đun kỹ thuật tiếp theo như Địa chất dầu khí, Cơ sở khoan, Cơ sở khai thác, Vận hành thiết bị tách dầu khí và Công nghệ khí. Việc kết hợp giữa nghiên cứu nội dung giáo trình và khai thác các tài liệu tham khảo chuyên ngành là yêu cầu cần thiết để hoàn thành chuẩn đầu ra môn học.