Giáo trình Hóa học đại cương I - TS. Nguyễn Thị Hiền Lan, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên

Giáo trình Hóa học đại cương I cung cấp kiến thức nền tảng về cấu tạo nguyên tử, phân tử, liên kết hóa học và hệ ngưng tụ cho sinh viên sư phạm Hóa học.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiền Lan
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Giáo trình Hóa học đại cương I
• Loại tài liệu: Giáo trình

Nội dung chính

GIÁO TRÌNH HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG I (DÀNH CHO SINH VIÊN NGÀNH HOÁ HỌC) – TS. NGUYỄN THỊ HIỀN LAN

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hoá học đại cương I do Tiến sĩ Nguyễn Thị Hiền Lan biên soạn, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam phát hành, được thiết kế cho học phần Hoá học đại cương I trong chương trình đào tạo cử nhân ngành Hoá học tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên. Trong cấu trúc chương trình đào tạo đại học, đây là môn học cơ sở bắt buộc thuộc khối kiến thức giáo dục chuyên nghiệp giai đoạn đầu, được bố trí giảng dạy cho sinh viên năm thứ nhất.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc xác lập hệ thống tri thức lý thuyết hóa học cơ sở:

• Hệ thống hóa các khái niệm, đơn vị đo lường và định luật thực nghiệm kinh điển của hóa học.
• Tiếp cận mô hình cấu tạo vi mô của vật chất (nguyên tử, phân tử, phức chất) trên cơ sở cơ học lượng tử định tính.
• Vận dụng các nguyên lý lượng tử để giải thích cấu trúc bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bản chất các loại liên kết hóa học và tương tác liên phân tử.
• Phân loại cấu trúc và tính chất của các trạng thái tập hợp vật chất trong các hệ ngưng tụ (tinh thể ion, kim loại, nguyên tử, phân tử, chất rắn vô định hình và tinh thể lỏng).

Giáo trình có độ dài 154 trang, bao gồm Lời nói đầu, 4 chương nội dung lý thuyết tích hợp hệ thống bài tập định lượng cuối mỗi chương và danh mục Tài liệu tham khảo. Tài liệu được biên soạn theo quan điểm sư phạm: cơ bản, cập nhật và ngắn gọn. Đặc điểm phương pháp luận nổi bật của tác giả là việc trình bày các vấn đề cơ học lượng tử dưới dạng tường giải ý nghĩa vật lý và kết quả nghiên cứu thực nghiệm (như mô hình giếng thế, nghiệm phương trình sóng Schrödinger, các số lượng tử), lược bỏ các cơ chế giải tích toán học phức tạp nhằm tương thích với trình độ tiếp thu của sinh viên năm đầu bậc đại học.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo 4 chương với cấu trúc logic từ vi mô đến vĩ mô:

• Chương 1. Những khái niệm và định luật cơ bản của hoá học (Trang 7–14): Khảo sát các khái niệm cơ bản gồm nguyên tử (hạt proton, electron, nơtron; hệ thức số khối $A = Z + N$), phân tử, nguyên tố hóa học, đồng vị ($^1_1\text{H}$, $^2_1\text{H}$, $^3_1\text{H}$), đơn chất, dạng thù hình (oxi và ozon), hợp chất, nguyên chất và hỗn hợp. Phân tích 5 định luật kinh điển: Định luật bảo toàn khối lượng (Lomonoxop, 1756), Định luật thành phần không đổi (Prut, 1801; nêu rõ giới hạn không áp dụng cho hợp chất bất hợp thức như hiđrua, cacbua, sunfua kim loại), Định luật các tỉ lệ bội (Đanton, 1804; ví dụ hệ CO và $\text{CO}_2$), Định luật Gay-Luytxăc (1808) và Định luật Avôgađrô (1811). Định nghĩa hệ thống đại lượng: đơn vị cacbon, số Avôgađrô ($N = 6,02 \cdot 10^{23}$), mol, khối lượng mol và định luật đương lượng (Đanton, 1792) kèm quy tắc tính đương lượng cho oxit, axit, bazơ, muối và phản ứng oxi hóa – khử.
• Chương 2. Cấu tạo nguyên tử, Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học (Trang 15–63): Trình bày sự phát triển của mô hình nguyên tử từ quang phổ học và thuyết lượng tử Plăng ($E = h\nu$), mẫu nguyên tử Bo với 3 định đề và các dãy phổ hiđro (Laiman, Banme, Pasen, Brăcket, Pfun) đến cơ học lượng tử hiện đại. Khảo sát giả thuyết sóng vật chất Đơ Brơi ($\lambda = h/p$), hiện tượng nhiễu xạ electron qua tinh thể niken của Đêvixơn và Giecmơ (1927), nguyên lí bất định Hâyxenbe ($\Delta x \cdot \Delta v_x \ge \frac{h}{2\pi m}$), phương trình sóng Scrôđingơ ($\hat{H}\psi = E\psi$) và bài toán hộp thế 1 chiều, 3 chiều. Giải phương trình sóng cho nguyên tử hiđro trong tọa độ cầu xác định các obitan nguyên tử (AO) thông qua hàm bán kính $R_{nl}(r)$ và hàm góc $Y_{lm}(\theta, \varphi)$, ý nghĩa 4 số lượng tử ($n, l, m, m_s$), spin electron (Ulenbêch và Gaoxmit). Khảo sát hệ nhiều electron thông qua mô hình hạt độc lập, trường tự hợp, quy tắc Xlâytơ (Slater) tính hằng số chắn $b$ và điện tích hạt nhân hiệu dụng $Z^*$, nguyên lí vững bền, nguyên lí Paoli, quy tắc Hun. Chương này cũng phân tích cấu trúc hạt nhân, hụt khối $\Delta m$, năng lượng liên kết hạt nhân, hiện tượng phóng xạ tự nhiên (tia $\alpha, \beta, \gamma$), định luật Fajan – Sôtdi, 4 họ phóng xạ (Thori, Neptuni, Uran, Actini) và phản ứng hạt nhân.
• Chương 3. Cấu tạo phân tử và liên kết hoá học (Trang 64–132): Khái quát các đặc trưng liên kết; phân tích chuyên sâu Thuyết liên kết hoá trị (VB) và Thuyết obitan phân tử (MO); mô hình liên kết ion trong phân tử; lực tương tác giữa các phân tử (lực Van der Waals, liên kết hiđro) và liên kết trong phân tử phức chất.
• Chương 4. Liên kết và cấu trúc trong các hệ ngưng tụ (Trang 133–153): Khảo sát tinh thể học đại cương; cấu trúc và lực liên kết của 4 loại mạng tinh thể: tinh thể ion, tinh thể kim loại, tinh thể nguyên tử, tinh thể phân tử; cấu trúc của chất rắn vô định hình, tinh thể lỏng và trạng thái lỏng.

Tiến trình nội dung tuân thủ mạch logic tuyến tính: thiết lập công cụ đo lường và định luật thành phần $\rightarrow$ xây dựng cấu trúc hạt vi mô (hạt nhân, vỏ electron) $\rightarrow$ phân tích tương tác ghép cặp tạo liên kết phân tử $\rightarrow$ tổng hợp cấu trúc các hệ tập hợp ngưng tụ vĩ mô.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng gồm:

• Hệ thống định luật hóa học cổ điển: Định luật bảo toàn vật chất Lomonoxop, các định luật tỉ lệ khối lượng và thể tích của Prut, Đanton, Gay-Lussac, Avogadro và định luật đương lượng.
• Cơ sở cơ học lượng tử ứng dụng: Lưỡng tính sóng – hạt của vi hạt, nguyên lý bất định, hàm trạng thái $\psi$, điều kiện chuẩn hóa và phương trình vi phân trị riêng Scrôđingơ.
• Lý thuyết cấu trúc vỏ electron nguyên tử: Hệ thống 4 số lượng tử ($n, l, m, m_s$), mô hình trường xuyên tâm hiệu dụng, quy tắc Slater xác định mức năng lượng và bộ ba quy tắc điền vỏ electron (Aufbau, Pauli, Hund).
• Mô hình liên kết và vật liệu: Hai trụ cột lý thuyết liên kết hóa học hiện đại (thuyết VB và thuyết MO), lý thuyết phối trí trong phức chất và phân loại cấu trúc mạng tinh thể học.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Xác định số khối, đương lượng chất trong các loại phản ứng (trao đổi, oxi hóa – khử như $\text{KMnO}4 \rightarrow \text{Mn}^{2+}$); tính năng lượng electron, bước sóng quang phổ hiđro theo hằng số Rydberg ($R = 109678\text{ cm}^{-1}$); tính điện tích hiệu dụng $Z^*$ và năng lượng $E{nl}$ theo quy tắc Slater; tính độ hụt khối $\Delta m$ và năng lượng liên kết hạt nhân $\Delta E = \Delta m \cdot c^2$.
• Kỹ năng phân tích học thuật: Phân tích sự chuyển biến từ mô hình quỹ đạo hành tinh cổ điển (Bo) sang mô hình đám mây xác suất tìm thấy electron $|\psi|^2$; nhận diện điều kiện biên xác định tính lượng tử hóa năng lượng; phân biệt bản chất giữa hợp chất hóa học và hỗn hợp thông qua định luật thành phần không đổi.
• Kỹ năng thực hành giải quyết bài toán: Khai thác dữ liệu thực nghiệm để xác định khối lượng nguyên tử từ phản ứng điện phân; tính đương lượng kim loại qua thể tích khí hiđro thoát ra; tính bán kính nguyên tử và khối lượng riêng tinh thể dựa trên độ đặc khít không gian mạng lưới; xử lý áp suất hơi nước bão hòa khi thu khí qua nước.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận sư phạm diễn dịch kết hợp quy nạp khoa học. Từ các kết quả thực nghiệm lịch sử (như hiện tượng quang phổ vạch của natri $\lambda = 5893\text{ \AA}$, thí nghiệm nhiễu xạ tia X, thí nghiệm phóng xạ của Beccơren năm 1896), tác giả quy nạp thành các tiên đề, định luật lý thuyết, sau đó vận dụng các định luật này để giải thích tính chất tuần hoàn và cấu tạo vật chất.

Hệ thống câu hỏi và bài tập cuối mỗi chương được xây dựng nhằm phục vụ tự học và kiểm tra đánh giá:

• Hệ thống bài tập định tính: Yêu cầu trình bày lại các khái niệm, giải thích các hiện tượng vật lý – hóa học (như cơ chế phát xạ quang phổ theo các dãy Laiman, Banme; cơ chế phóng xạ $\alpha, \beta, \gamma$ theo định luật Fajan – Sôtdi).
• Hệ thống bài tập định lượng kỹ thuật: Thiết kế bài toán gắn liền với dữ liệu thực nghiệm, tiêu biểu như:
  • Bài toán điện phân nước (1 gam hiđro thu được 7,936 gam oxi) và điện phân 75,97 gam $\text{NaCl}$ thu được 29,89 gam $\text{Na}$ để tính toán khối lượng nguyên tử của oxi và clo.
  • Bài toán hòa tan 3,06 gam kim loại trong axit giải phóng 2,8 lít khí hiđro (đktc) để tính đương lượng kim loại.
  • Bài toán xác định khối lượng mol nguyên tử và số proton của nguyên tử có bán kính $r = 1,44\text{ \AA}$, khối lượng riêng tinh thể $d = 19,36\text{ g/cm}^3$, biết độ đặc khít tinh thể chiếm 74% thể tích và hạt nhân chứa 118 nơtron.
  • Bài toán thu khí oxi qua nước ở $22^\circ\text{C}$, áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$, hiệu chỉnh áp suất hơi nước bão hòa $19,8\text{ mmHg}$.

Phương pháp đánh giá tương ứng yêu cầu sinh viên kết hợp giữa khả năng ghi nhớ bản chất quy luật và năng lực áp dụng thuật toán số học để xử lý dữ liệu đo lường. Về hướng dẫn tự học, sinh viên được khuyến nghị nắm vững phần ý nghĩa vật lý của các công thức giải tích trước khi áp dụng vào các dạng bài tập cấu hình electron và tính thông số mạng tinh thể.

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các tài liệu hóa học đại cương truyền thống thiên về mô tả hiện tượng, Giáo trình Hoá học đại cương I của TS. Nguyễn Thị Hiền Lan thể hiện các điểm cập nhật học thuật rõ nét:

• Hiện đại hóa cơ sở lý thuyết cấu tạo chất: Đặt nền móng lý thuyết cấu tạo nguyên tử và liên kết phân tử hoàn toàn trên cơ sở cơ học lượng tử (sóng vật chất De Broglie, hệ thức bất định Heisenberg, hàm sóng Schrödinger). Giáo trình cập nhật mô hình toán lý hiện đại thông qua nghiệm của phương trình vi phân đối với hạt trong hộp thế và nguyên tử dạng hiđro.
• Sư phạm hóa lý thuyết cơ học lượng tử: Điểm xử lý sư phạm cốt lõi của tác giả là giải thích bản chất vật lý của hàm sóng (hàm bán kính $R_{nl}$, hàm góc $Y_{lm}$, các mặt nút và sự thâm nhập obitan) mà không đưa các thuật toán vi tích phân vượt quá khối lượng kiến thức của sinh viên năm thứ nhất.
• Cập nhật trạng thái vật chất ngưng tụ: Tại Chương 4, bên cạnh 4 loại tinh thể cổ điển, tác giả bổ sung nội dung về các trạng thái chuyển tiếp gồm chất rắn vô định hình và tinh thể lỏng (liquid crystal) – những đối tượng vật liệu có ứng dụng thực tế quan trọng trong khoa học vật liệu đương đại.
• Kết nối dữ liệu thực nghiệm quang phổ và hạt nhân: Tích hợp phương pháp phân tích quang phổ dựa trên quang phổ vạch đặc trưng để định tính và định lượng hóa học; cập nhật định luật chuyển dịch phóng xạ Fajan – Sôtdi, cơ chế biến đổi nhân tạo nguyên tố và bảng phân loại 4 họ phóng xạ tự nhiên.

Đối tượng sử dụng giáo trình

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

• Sinh viên chuyên ngành: Phục vụ trực tiếp sinh viên năm thứ nhất ngành Hoá học tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên theo khung chương trình đào tạo cử nhân sư phạm.
• Sinh viên các ngành liên quan: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng có học phần Hóa học đại cương thuộc các khối ngành Khoa học tự nhiên, Kỹ thuật môi trường, Nông lâm, Sinh học và Công nghệ hóa học.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành chương trình Hóa học và Vật lý phổ thông (đặc biệt là phần điện từ học, cấu tạo nguyên tử và các định luật bảo toàn); nắm vững kiến thức toán học đại cương về giải tích căn bản, hình học không gian và hệ tọa độ để hiểu được biến đổi tọa độ cầu $(r, \theta, \varphi)$.
• Cán bộ giảng dạy: Giảng viên đại học sử dụng tài liệu làm căn cứ biên soạn đề cương chi tiết học phần Hoá học đại cương I, thiết lập chuẩn đầu ra và ngân hàng câu hỏi đánh giá kết thúc học phần.
• Nghiên cứu độc lập: Người tự học có thể sử dụng giáo trình như tài liệu hệ thống hóa kiến thức để chuẩn bị cho các học phần tiếp nối như Hóa học vô cơ, Hóa học hữu cơ, Hóa học phân tích và Hóa lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên năm thứ nhất chuyên ngành Hoá học tại các trường đại học sư phạm, đồng thời đóng vai trò tài liệu tham khảo tiêu chuẩn cho sinh viên cao đẳng, đại học các khối ngành tự nhiên và kỹ thuật có học phần Hoá học đại cương.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần có kiến thức hóa học nền tảng ở bậc trung học phổ thông, bổ trợ kiến thức vật lý đại cương về điện tích, trường sóng điện từ và kiến thức toán học về hàm số lượng giác, đại số vector và giải tích để tiếp thu nội dung phương trình sóng và tọa độ cầu.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu loại bỏ cách mô tả định tính thuần túy của hóa học cổ điển, xây dựng lý thuyết trên cơ sở cơ học lượng tử nhưng tập trung làm rõ ý nghĩa vật lý thực nghiệm và ứng dụng quy tắc bán thực nghiệm (như quy tắc Slater, nguyên lý Pauli, Hund) mà không gây quá tải về mặt giải tích toán học đối với sinh viên năm đầu.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần đọc kỹ các định nghĩa khái niệm ở từng mục, đối chiếu giữa biểu thức toán học và đồ thị phân bố xác suất không gian của các obitan (đồ thị hàm bán kính $R_{nl}$ và hình dạng đám mây $s, p, d$), sau đó giải toàn bộ các bài tập định lượng cuối mỗi chương để kiểm chứng khả năng áp dụng công thức.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Cuối mỗi chương của giáo trình đều có phần “Câu hỏi và bài tập” tổng hợp các bài toán định lượng và lý thuyết bám sát nội dung. Đồng thời, danh mục “Tài liệu tham khảo” ở trang 154 liệt kê các giáo trình chuyên sâu làm cơ sở cho sinh viên mở rộng tra cứu.

Kết luận

Giáo trình Hoá học đại cương I của TS. Nguyễn Thị Hiền Lan cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn mực về cấu tạo chất và các định luật hóa học cơ bản, tạo cầu nối học thuật trung gian giữa chương trình phổ thông và các môn học chuyên ngành hóa học bậc đại học.

Lộ trình học tập giáo trình đề xuất: $$\text{Nắm vững định luật cơ bản (Chương 1)} \longrightarrow \text{Nghiên cứu cơ học lượng tử nguyên tử (Chương 2)} \longrightarrow \text{Mô hình hóa liên kết phân tử (Chương 3)} \longrightarrow \text{Khảo sát cấu trúc hệ ngưng tụ (Chương 4)}$$

Để mở rộng kiến thức, người học nên khai thác danh mục tài liệu tham khảo chuyên khảo tại trang 154 của cuốn sách nhằm chuẩn bị cho các học phần chuyên sâu tiếp theo như Cơ sở lý thuyết hóa học, Hóa học vô cơ và Hóa lý thuyết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Những khái niệm và định luật c ơ bản của hoá học Chương 2. c ấ u tạo nguyên tử. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học Chương 3.

c ấ u tạo phân tử. liên kết hoá học Chương 4. Liên kết và cấu trúc trong các hệ ngưng tụ Vì phân tử, nguyên tử là các hệ hạt vi mô nên lí thuyết về cấu tạo nguyên tử và liên kết hoá học phải đ ư ợ c xây dựng trên c ơ s ờ của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, với đối tượng là sinh viên năm thứ nhất, giáo trình này chì trình bày các vấn đề liên quan đến c ơ học lượng tử mang tính chất lí giải để nêu đ ư ợ c ý nghĩa vật lí và kết quả của các vấn đề nghiên cứu mà không đi sâu vào c ơ chế tính toán.

Đối tư ợng phục vụ chù yếu của cuốn giáo trình này là sinh viên và cán bộ giảng dạy chuyên ngành Hoá học của Trường Đại học S ư phạm - Đại học Thái Nguyên. Ngoài ra, cuốn giáo trình này cũng có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng có học môn Hoá học đại cư ong. Trong qu á trình biên so ạn giáo trình, tác giả đã cố gắng tổng hợp, hệ thống hoá kiến thức, trình bày ngấn gọn. Tuy nhiên, việc biên so ạn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rầt mong nhận đ ư ợ c s ự góp ý xây dự ng của bạn đọc.

Tác giả 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐÀU Chưoug 1. NIIĨTNG KIIẢI NIỆM VÀ DỊNII LUẬT c o BẢN 7 TRONG IIOÁ IIỌC 1. Nsuyèn tử - Phàn tử 7 1. Nsuyên tố hoá học.

đơn chắt, hợp chất, nguyên chất và hỗnhợp 8 1. Các định luật cơ bàn trons hoá học 9 1. Khỏi lượng, neuycn lư. khôi lượng phàn tư, khái niệm mol, khối 10 lượna mol nsuycn tử.

khỏi lượna mol phân tử 1. Hoá trị, phươna, trình hoá học 13 Câu hỏi và bài tập 13 Chương 2. CÁU TẠO NGUYÊN TỬ, BẢNG TUẦN IIOÀN CÁC NGUYÊN TÓ HOÁ IIỌC 15 2. Thuyết lượne từ Plans (Planck) 2.

Đại cươns về cơ học lượns tử 20 2. Nguyên lừ hidro 27 2. Nsuyên từ nhiều electron 37 2. Hạt nhân nguyên tử 44 2.

Bang tuần hoàn các nguyên tố hoá học 51 Câu hỏi và bài tập 61 Chương 3. CẢU TẠ O PIIÂN TU VẢ LIÊN K ÉT IIOẢ IIỌ C 64 3. Khái quát về phân tử và licn kct hoá học 64 3. Thuyết liên kết hoá trị 76 3.

Thuyết obitan phân tử (thuyết MO) 92 3. Liên kết ion trong phán tư 111 3. Tương tác giữa các phán từ 115 3. Liên kết trong phân tử phức chất 1^ Câu hỏi và bài tập 131 Chưong 4.

LIÊN KÉT VÀ CÁU TRÚC TRONG CÁC IIỆ NGƯ>ÍG TỤ 133 4. Đại cương về tinh thể 133 4. Tinh thể ion 139 4. Tinh thể kim loại 144 4.

Tinh thể nguyên tử 148 4. Tinh thể phân tử 150 4. Chất rắn vô định hình, tinh thể lỏng, trạng thái lóng 151 Câu hỏi và bài tập 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154 6 C hưong 1 NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT c ơ BẢN TRỎNG HOÁ HỌC 1. NGUYÊN T ử - PHÂN TỬ 1.

Nguỵên tử Nsuyèn tử là hạt nhò nhất của một nsuyên tố hoá học cấu tạo nên các chất, không thè chia nhỏ hơn được nữa bans các phương pháp hoá học. Nsuyèn tử được cấu tạo bời hạt nhàn và các elcctron. Khối lượng và điện tích của các hạt càu tạo nèn nsuyèn tử được trình bày trong bảng 1. Khối lượns và điện tich của các hạt trong nguyên tử Tên Kí hiệu Khôi lượng (kg) Điện tích (C) Proton p 1,6727.10"19 Proton và electron có độ lớn điện tích bàng nhau nhung ngược dấu.