Hóa học đại cương — Giáo trình lưu hành nội bộ, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh (2021)

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu Hóa học đại cương do tập thể giảng viên Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh biên soạn, xuất bản năm 2021 dưới hình thức lưu hành nội bộ. Lời nói đầu xác định rõ đối tượng và phạm vi: giáo trình "cung cấp các kiến thức cơ bản về các định luật cơ bản trong hóa học, về cấu tạo chất, các nguyên lý cơ bản nhiệt động học, động hóa học, dung dịch và điện hóa cho sinh viên thuộc khối ngành kỹ thuật chuyên hoặc không chuyên Hóa". Như vậy môn học được đặt ở vị trí cơ sở ngành, phục vụ đồng thời hai nhóm người học có nền tảng khác nhau.

Tài liệu được biên soạn "dựa theo đề cương chi tiết của môn học trong chương trình đào tạo", nghĩa là cấu trúc chương mục bám sát khung đào tạo của trường chứ không theo một lộ trình tự do. Về mục tiêu học tập, các nội dung trong mục lục cho thấy người học được kỳ vọng: phát biểu và vận dụng được các định luật cơ sở (bảo toàn khối lượng, thành phần không đổi, tỷ lệ bội, đương lượng, tỷ lệ thể tích, Avogadro, Dalton); mô tả cấu tạo nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử; giải thích liên kết hóa học bằng các thuyết Lewis, VSEPR, VB và MO; tính toán các đại lượng nhiệt động (hiệu ứng nhiệt, entropy, thế đẳng áp); xử lý bài toán cân bằng hóa học, động hóa học, cân bằng ion trong dung dịch và các bài toán điện hóa.

Về cấu trúc, lời nói đầu nêu cuốn sách gồm 10 chương; "trong từng chương đều có phần lý thuyết, các ví dụ, đặt biệt cuối mỗi chương đều có phần bài tập mẫu, và bài tập tự giải cùng với hơn 500 câu hỏi trắc nghiệm ở cuối cuốn sách". Phần cuối tài liệu gồm mục NGÂN HÀNG CÂU HỎI (tr. 389) và TÀI LIỆU THAM KHẢO (tr. 493).

Điểm đặc trưng của tài liệu là tỷ trọng lớn dành cho phần tính toán: mỗi chương kết thúc bằng khối "Bài tập mẫu" có lời giải chi tiết, kèm bài tập tự giải. Nhóm biên soạn cũng ghi rõ trong lần xuất bản này đã "sửa chữa và bổ sung lý thuyết, biên soạn thêm rất nhiều bài tập phong phú".

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Chương 1 — Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học. Chương mở đầu từ khái niệm nguyên tử, phân tử với mốc lịch sử là hội nghị quốc tế các nhà hóa học lần thứ nhất tại Karlsruhe (Đức) năm 1860, nơi nguyên tử được định nghĩa là "tiểu phân nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học, không thể chia nhỏ hơn nữa về mặt hóa học". Chương phân biệt nguyên tố hóa học (định nghĩa chính thức năm 1923), chất hóa học, đơn chất và hợp chất, kèm ví dụ phản biện: "bê tông, gỗ, thép đều không phải là chất vì nó là hỗn hợp của nhiều cấu tử khác nhau". Tiếp đó là hệ thống các định luật: bảo toàn khối lượng (Lomonosov 1748, Lavoisier 1789), thành phần không đổi (Proust 1779), tỷ lệ bội (Dalton 1803), định luật đương lượng, định luật tỷ lệ thể tích (Gay-Lussac 1808) và định luật Avogadro (1811). Chương khép lại bằng nhóm phương pháp xác định khối lượng phân tử và nguyên tử: tỷ khối khí, phương trình Clapeyron – Mendeleev, nghiệm sôi, thẩm thấu, quy tắc Dulon – Peptit và quang phổ khối.

Chương 2 — Cấu tạo nguyên tử. Trình bày theo trục lịch sử: mẫu Thomson (1903), thí nghiệm tán xạ hạt α của Rutherford (1911) với các số liệu bán kính hạt nhân khoảng 10⁻¹⁵ m so với bán kính nguyên tử khoảng 10⁻¹⁰ m, rồi mẫu Bohr (1913) với ba tiên đề và các hệ thức về mômen động lượng lượng tử hóa, bán kính quỹ đạo bền, năng lượng electron. Tài liệu không dừng ở ưu điểm mà liệt kê rõ các hạn chế của thuyết Bohr, trong đó có mâu thuẫn nội tại: "các định đề của Bohr chống lại những định luật cơ học và điện từ học cổ điển, nhưng khi tính toán các lực tác dụng lên electron thì ông lại sử dụng những định luật này". Phần cơ học lượng tử triển khai công thức De Broglie (1924), hệ thức bất định Heisenberg (1927), khái niệm hàm sóng và điều kiện chuẩn hóa, phương trình Schrödinger (1926), lời giải cho giếng thế một chiều – hai chiều – ba chiều với hiện tượng suy biến, và cuối cùng áp dụng cho nguyên tử/ion kiểu hydro trong hệ tọa độ cầu với khối lượng rút gọn μ.

Chương 3 — Định luật tuần hoàn và bảng hệ thống tuần hoàn. Xét điều kiện ra đời và ý nghĩa của định luật tuần hoàn, đối chiếu hệ thống tuần hoàn "dưới ánh sáng của thuyết cấu tạo nguyên tử", cấu tạo bảng và sự biến đổi tuần hoàn của bán kính nguyên tử, bán kính ion, năng lượng ion hóa.

Chương 4 — Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử. Chương dài nhất về mặt thuyết, đi từ thuyết Lewis (ký hiệu và cấu trúc Lewis, điện tích hình thức, thuyết cộng hưởng, mở rộng quy tắc bát tử), sang sự phân cực và hướng của liên kết theo thuyết VSEPR của Gillespie, liên kết ion, thuyết liên kết cộng hóa trị VB của Pauling và Pauling – Slater (thuyết lai hóa), thuyết orbital phân tử MO-LCAO, thuyết Hückel cho phân tử có liên kết π không định vị, liên kết kim loại giải thích bằng thuyết miền năng lượng, và các liên kết yếu gồm liên kết hydro, liên kết Van der Waals.

Chương 5 — Trạng thái tập hợp của các chất. Khí (phương trình trạng thái khí lý tưởng, áp suất riêng phần), lỏng (độ nhớt, sức căng bề mặt, tính mao dẫn), rắn (trạng thái tinh thể, vô định hình, hiện tượng đồng hình và đa hình).

Chương 6 – 7 — Nhiệt động hóa học và cân bằng hóa học. Hệ thống khái niệm, quy ước dấu, nguyên lý I, nhiệt dung đẳng áp và đẳng tích, hiệu ứng nhiệt và định luật Hess, sự phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Kirchhoff; entropy và nguyên lý II; thế đẳng áp, phương trình cơ bản của nhiệt động học, thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn. Chương cân bằng nối tiếp bằng quan hệ giữa thế đẳng áp và hằng số cân bằng, phương trình đẳng nhiệt Van't Hoff, cân bằng dị thể, áp suất phân ly, các yếu tố dịch chuyển cân bằng, cân bằng pha và giản đồ trạng thái của nước.

Chương 8 – 10 — Động hóa học, dung dịch, điện hóa. Vận tốc phản ứng, cơ chế và bậc phản ứng, định luật tác dụng khối lượng, phản ứng một chiều bậc nhất/hai/ba, thuyết va chạm hoạt động, thuyết trạng thái chuyển tiếp, xúc tác. Phần dung dịch gồm nồng độ, cân bằng trong dung dịch phân tử loãng không điện ly không bay hơi, chất điện ly yếu và mạnh, thuyết axit – bazơ, cân bằng ion của nước, cách tính pH, tích số tan. Phần điện hóa gồm cân bằng phương trình oxy hóa – khử, nguyên tố Galvanic và điện cực, sức điện động, thế điện cực và chiều phản ứng, điện phân dung dịch, thế phân hủy và quá thế, các định luật điện phân, nguồn điện hóa học và pin nhiên liệu.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Trục logic của tài liệu đi từ định lượng sang cấu trúc rồi tới năng lượng và động học. Ba nền tảng lý thuyết được dựng lần lượt: (1) thuyết nguyên tử – phân tử của Lomonosov làm cơ sở cho toàn bộ khối định luật khối lượng; (2) cơ học lượng tử — hàm sóng, phương trình Schrödinger, số lượng tử — làm cơ sở cho cấu hình electron, bảng tuần hoàn và các thuyết liên kết; (3) hai nguyên lý nhiệt động học làm cơ sở cho tiêu chí tự diễn biến của phản ứng, hằng số cân bằng và thế điện cực.

Một nguyên tắc được tài liệu nhấn mạnh nhiều lần là tính tương đối của các định luật cổ điển. Với định luật bảo toàn khối lượng, giáo trình tính cụ thể khối lượng tương ứng với nhiệt phát ra của phản ứng H₂ + ½O₂ = H₂O rồi kết luận "khối lượng này mất đi không đáng kể nên có thể bỏ qua". Với định luật thành phần không đổi, tài liệu chỉ ra giới hạn qua hiện tượng đồng phân trong hóa hữu cơ: "thành phần định lượng chưa đủ để xác định một chất mà phải đi sâu vào các yếu tố khác như cấu tạo, năng lượng". Với khí lý tưởng, ví dụ tính áp suất một mol CO₂ trong 0,5 lít ở 25 °C cho hai kết quả 48,9 atm và 39,2 atm theo hai mô hình, kèm bảng hằng số a, b của H₂, N₂, H₂O, CO₂.

Kỹ năng phát triển

Kỹ năng tính toán chiếm phần lớn: xác định đương lượng cho bốn nhóm chất theo bốn công thức riêng (nguyên tố theo Đ = A/n, axit–bazơ theo số ion H⁺/OH⁻ bị thay thế, muối theo n·z, chất oxy hóa – khử theo số electron trao đổi); vận dụng phương trình PV = nRT và phương trình Van der Waals; tính áp suất riêng phần theo định luật Dalton; tính khối lượng phân tử từ tỷ khối, từ độ tăng điểm sôi, từ áp suất thẩm thấu.

Kỹ năng phân tích thể hiện ở yêu cầu chọn đúng mô hình cho từng bối cảnh. Giáo trình nhấn mạnh "đương lượng của một nguyên tố phụ thuộc vào trạng thái hóa trị của nguyên tố", minh họa bằng cacbon trong CO (đương lượng 6) và CO₂ (đương lượng 3), và bằng H₂SO₄ có đương lượng 49 trong phản ứng với 2NaOH nhưng khác đi trong phản ứng tạo NaHSO₄. Tương tự, KMnO₄ được tính đương lượng 31,6 trong môi trường axit (nhận 5 electron) và 52,7 trong phản ứng với Na₂SO₃ (nhận 3 electron).

Kỹ năng thực hành gắn với các bài toán mô phỏng số liệu thí nghiệm: oxy hóa 0,253 g magie thu 0,42 g MgO để suy ra đương lượng; 1,355 g FeCl₃ tác dụng vừa đủ 1 g NaOH; xác định kim loại có nhiệt dung riêng 0,093 cal/g và đương lượng 32,7, dẫn tới khối lượng nguyên tử 65,4 và kết luận "kim loại này chính là kẽm".

Phương pháp giảng dạy và học tập

Cách tiếp cận sư phạm của tài liệu là lịch sử – khái niệm – công thức – ví dụ – bài tập. Mỗi định luật được đặt trong bối cảnh phát hiện (tên nhà khoa học, năm công bố), sau đó phát biểu chính thức, rồi minh họa bằng số liệu thực nghiệm. Định luật tỷ lệ bội chẳng hạn được chứng minh bằng hai bộ dữ liệu: tỷ lệ khối lượng lưu huỳnh trên sắt trong FeS và FeS₂ là 16 : 32 = 1 : 2, và tỷ lệ oxy trên nitơ trong năm oxit N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅ là 8 : 16 : 24 : 32 : 40 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5.

Hệ thống bài tập được tổ chức hai tầng. Tầng "Bài tập mẫu" có lời giải trình bày đầy đủ các bước: ví dụ bài tính khối lượng butan C₄H₁₀ trong bình 25 lít ở 1,64 atm và 87 °C được giải bằng cách biến đổi PV = (m/M)RT thành m = MPV/RT rồi thay số ra 80,56 g. Bài toán bình cầu 1 lít chứa 3,1275 g PCl₅ ở 250 °C được giải theo phương pháp đặt ẩn số mol phân ly. Bài toán tổng hợp NH₃ trong bình kín được giải bằng bảng ba dòng ban đầu – phản ứng – cân bằng, rồi lập tỷ số tổng số mol để suy ra tỷ lệ áp suất.

Tầng thứ hai là bài tập tự giải, chuyển từ dạng đã có lời giải sang biến thể yêu cầu người học tự lập luận. Có thể thấy rõ cặp bài đối chiếu: bài mẫu dùng 3,1275 g PCl₅ còn bài tự giải dùng 2,69 g PCl₅ cùng điều kiện; bài mẫu xét bình chứa cùng thể tích N₂ và H₂, còn bài tự giải số 13 xét bình chứa 2 thể tích N₂ và 3 thể tích H₂. Nhóm bài tự giải cũng mở rộng sang các tình huống đốt cháy hỗn hợp (H₂ + O₂ ở 150 °C; O₂ + CH₄ ở 120 °C), rút khí khỏi bình cầu 7 kg oxy, và trộn ba khí CH₄, H₂, CO ở các áp suất riêng khác nhau.

Về đánh giá, tài liệu cung cấp ngân hàng hơn 500 câu hỏi trắc nghiệm tập trung tại phần cuối (tr. 389), tách khỏi bài tập tự luận trong từng chương. Cấu trúc này cho phép hai hình thức kiểm tra song song: tự luận theo chương và trắc nghiệm tổng hợp.

Đối với tự học, trình tự khuyến nghị theo chính bố cục sách là đọc lý thuyết, đối chiếu ví dụ trong bài, làm lại bài tập mẫu mà không nhìn lời giải, rồi chuyển sang bài tập tự giải cùng chương trước khi dùng ngân hàng trắc nghiệm để rà lại toàn bộ.

Điểm nổi bật và cập nhật

Lời nói đầu ghi nhận đây không phải bản biên soạn đầu tiên: "Trong lần xuất bản này, chúng tôi tiếp tục cập nhật kiến thức phù hợp hơn với chương trình đào tạo" và "chúng tôi đã sửa chữa và bổ sung lý thuyết, biên soạn thêm rất nhiều bài tập phong phú". Hai hướng thay đổi vì vậy là điều chỉnh nội dung theo đề cương chi tiết hiện hành và mở rộng khối bài tập.

Về nội dung được tích hợp, phần cơ học lượng tử của chương 2 đi xa hơn mức thường gặp ở giáo trình đại cương cho khối kỹ thuật: giáo trình giải chi tiết bài toán giếng thế một chiều (dẫn ra E = n²h²/8ma², nghiệm ψ = A sin αx và điều kiện chuẩn hóa), rồi mở rộng sang giếng thế hai chiều bằng kỹ thuật tách biến, và ba chiều. Phần này giới thiệu khái niệm suy biến năng lượng qua trường hợp mặt vuông L₁ = L₂ = L với cặp trạng thái (n₁ = 1, n₂ = 2) và (n₁ = 2, n₂ = 1) có hàm sóng khác nhau nhưng cùng mức năng lượng — "mức năng lượng là suy biến đôi (doubly degenerate)". Tài liệu cũng nêu ứng dụng phương pháp tách biến cho nguyên tử H thành hàm bán kính và hàm góc.

Về phương pháp phân tích hiện đại, chương 1 cập nhật rằng "ngày nay có thể xác định chính xác khối lượng phân tử bằng phương pháp vật lý đó là phương pháp khối phổ (MS) hay khối phổ phân giải cao (HRMS)", đồng thời mô tả nguyên tắc thiết bị khối phổ: ion hóa, chọn lọc tốc độ, tăng tốc trong điện trường, làm lệch trong từ trường và đo bán kính đường cong. Tài liệu cũng lưu ý giới hạn của phương pháp: nó xác định khối lượng của từng đồng vị, nên với nguyên tố đa đồng vị còn phải biết tỷ lệ đồng vị — điều này khớp với ví dụ clo có khối lượng trung bình từ ³⁵Cl (75,53 %) và ³⁷Cl (24,47 %).

Liên hệ ứng dụng xuất hiện ở chương điện hóa với mục "Nguồn điện liên tục – Pin nhiên liệu" và các mục thế phân hủy, quá thế, điện phân dung dịch trong nước — những nội dung gắn trực tiếp với công nghệ điện phân và ăn mòn trong sản xuất công nghiệp, phù hợp định hướng của một trường kỹ thuật.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Đối tượng chính được nêu trong lời nói đầu là "sinh viên thuộc khối ngành kỹ thuật chuyên hoặc không chuyên Hóa". Do là môn cơ sở nằm trong đề cương chương trình đào tạo, tài liệu phù hợp với sinh viên năm thứ nhất các ngành công nghệ hóa học, công nghệ thực phẩm, môi trường, vật liệu, cũng như các ngành kỹ thuật khác có học phần hóa học đại cương.

Về kiến thức nền, nội dung giả định người học đã nắm hóa học phổ thông ở mức viết và cân bằng phương trình phản ứng, tính theo phương trình, hiểu khái niệm hóa trị và mol. Ngoài ra, các chương 2 và 6 đòi hỏi nền toán và vật lý đại cương: đạo hàm riêng và phương trình vi phân để theo được lời giải phương trình Schrödinger, tích phân để hiểu điều kiện chuẩn hóa ∫|ψ|²dτ = 1, cùng các khái niệm động lượng, mômen động lượng, điện trường và từ trường.

Với giảng viên, cấu trúc chương tách bạch lý thuyết – ví dụ – bài tập mẫu – bài tập tự giải cho phép phân bổ: giảng lý thuyết trên lớp, dùng bài tập mẫu làm ví dụ minh họa, giao bài tự giải làm bài tập về nhà, và khai thác ngân hàng hơn 500 câu trắc nghiệm cho kiểm tra giữa kỳ hoặc thi kết thúc học phần.

Với người tự học và tra cứu, tài liệu dùng được như sổ tay công thức cho các nội dung có tính chuẩn hóa cao: bốn công thức đương lượng theo loại chất, phương trình Clapeyron – Mendeleev với các giá trị R khác nhau tùy đơn vị (0,082 lít·atm/mol·K hoặc 62400 với đơn vị mmHg – ml), bảng hằng số Van der Waals, quy tắc Dulon – Peptit A·c ≈ 6,3.

Nhóm biên soạn ghi địa chỉ tiếp nhận góp ý là Bộ môn Cơ sở, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai? Lời nói đầu xác định đối tượng là sinh viên khối ngành kỹ thuật, cả chuyên và không chuyên Hóa. Sinh viên chuyên Hóa dùng tài liệu như nền cho các học phần sau như hóa lý, hóa phân tích, điện hóa; sinh viên không chuyên dùng để đạt yêu cầu học phần cơ sở, có thể tập trung vào các chương 1, 5, 6, 7, 9 và phần bài tập tính toán.

2. Cần kiến thức nền nào để học? Ở mức tối thiểu là hóa học phổ thông. Tuy nhiên các phần cơ học lượng tử (công thức De Broglie λ = h/p, hệ thức bất định Δx·Δv, phương trình Hψ = Eψ, bài toán giếng thế) và nhiệt động học (định luật Hess, định luật Kirchhoff, entropy, thế đẳng áp) yêu cầu công cụ giải tích và vật lý đại cương. Người chưa có nền toán này vẫn theo được phần kết quả và công thức áp dụng, nhưng sẽ khó tái lập các bước dẫn xuất.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác? Ba đặc điểm nhận thấy được từ chính văn bản: tài liệu bám sát đề cương chi tiết của một chương trình đào tạo cụ thể chứ không viết theo khung tổng quát; mật độ bài tập có lời giải rất cao, mỗi chương đều đóng bằng mục "Bài tập mẫu"; và phần trắc nghiệm hơn 500 câu tập trung ở cuối sách như một ngân hàng đề độc lập.

4. Làm sao để tự học hiệu quả? Theo đúng trình tự tài liệu bố trí. Với chương 1, nên học kèm bảng phân loại đương lượng theo bốn nhóm chất trước khi làm bài tập, vì đa số lỗi tính toán đến từ việc xác định sai n. Với chương 2, nên đi từ mẫu Bohr và các hạn chế của nó rồi mới sang hàm sóng, vì tài liệu dựng lập luận theo đúng trục đó. Với chương 4, các thuyết Lewis, VSEPR, VB, MO nên đối chiếu trên cùng một số phân tử để thấy phạm vi giải thích của từng thuyết.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo? Bản thân giáo trình có hai phần bổ trợ tích hợp: NGÂN HÀNG CÂU HỎI (tr. 389) và TÀI LIỆU THAM KHẢO (tr. 493) — danh mục nguồn để mở rộng từng chương. Ngoài ra, các ví dụ trong bài và bài tập tự giải cuối chương đóng vai trò bộ luyện tập không cần tài liệu ngoài.

Kết luận

Hóa học đại cương (Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, 2021) là tài liệu học phần cơ sở gồm 10 chương, bao phủ trọn vẹn năm khối kiến thức mà lời nói đầu nêu: định luật cơ bản, cấu tạo chất, nhiệt động học, động hóa học, dung dịch và điện hóa. Giá trị sử dụng chủ yếu nằm ở tính hệ thống của mạch trình bày và khối lượng bài tập có lời giải.

Lộ trình học hợp lý là theo thứ tự chương: chương 1 để chuẩn hóa công cụ tính toán, chương 2 – 4 để xây dựng quan điểm cấu trúc, chương 5 – 7 cho nhiệt động và cân bằng, chương 8 – 10 cho động học, dung dịch và điện hóa — mỗi khối sau đều dựa trên kết quả của khối trước.

Nguồn bổ sung sẵn có trong tài liệu gồm ngân hàng hơn 500 câu trắc nghiệm và danh mục tài liệu tham khảo ở trang 493, dùng để kiểm tra mức nắm kiến thức và mở rộng sang các học phần hóa lý, hóa phân tích, điện hóa ở giai đoạn sau.