Sách Cơ bản hóa học vô cơ (2nd Edition) - D.N. Singh - P. Ambedkar

• Tác giả: D.D. Singh
• Trường học: P. Ambedkar Bihar University
• Chuyên ngành: Hóa học vô cơ
• Đề tài: Khái niệm cơ bản về Hóa học vô cơ
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Noida

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Basic Concepts of Inorganic Chemistry 2nd Edition

Cuốn sách Basic Concepts of Inorganic Chemistry ấn bản thứ hai do D.N. Singh biên soạn, xuất bản năm 2012 bởi Dorling Kindersley India và Pearson Education South Asia. Tác giả từng giảng dạy tại Khoa Hóa học, Trường Đại học B. Ambedkar Bihar, Muzaffarpur. Cuốn sách được dành tặng cho các bậc thầy thầy của tác giả, thể hiện tinh thần tri ân trong học thuật. Nội dung sách bao gồm ba phần chính: bảng tuần hoàn và tính chất tuần hoàn, liên kết hóa học và cấu trúc phân tử, axit và bazơ. Đây là tài liệu tham khảo quan trọng cho sinh viên đại học chuyên ngành hóa học vô cơ. Sách sử dụng phương pháp trình bày hệ thống, từ cơ bản đến nâng cao. Mỗi chương đều có cấu trúc rõ ràng với ví dụ minh họa cụ thể. Cuốn sách giúp người đọc nắm vững nền tảng lý thuyết cần thiết. ISBN của ấn bản in là 9788131768617 và bản điện tử là 9788131798683.

1.1. Giới thiệu tác giả D.N. Singh và bối cảnh xuất bản

D.N. Singh là giảng viên hóa học tại Trường Đại học B. Ambedkar Bihar, Muzaffarpur, Ấn Độ. Ông có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học vô cơ. Cuốn sách được xuất bản năm 2012 bởi nhà xuất bản Dorling Kindersley India, thuộc hệ thống Pearson Education tại Nam Á. Ấn phẩm thuộc loại sách điện tử học thuật, được bảo vệ bản quyền nghiêm ngặt. Nhà xuất bản đặt trụ sở tại NOIDA, Uttar Pradesh, Ấn Độ. Cuốn sách ra đời nhằm phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu hóa học vô cơ cơ bản cho sinh viên đại học.

1.2. Cấu trúc nội dung và phạm vi kiến thức bao quát

Sách bao gồm ba chương lớn, mỗi chương đề cập một lĩnh vực cốt lõi của hóa học vô cơ. Chương một trình bày bảng tuần hoàn, tính chất tuần hoàn của nguyên tố, bán kính nguyên tử, năng lượng ion hóa, ái lực electron và độ âm điện. Chương hai tập trung vào liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, mô hình VSEPR, orbital phân tử và liên kết kim loại. Chương ba giới thiệu lý thuyết axit bazơ Bronsted-Lowry, pH, dung dịch đệm và tính lưỡng tính. Nội dung được trình bày từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp với chương trình đại học.

II. Phân tích các khái niệm cốt lõi trong hóa học vô cơ

Cuốn sách trình bày nhiều khái niệm nền tảng quan trọng trong hóa học vô cơ hiện đại. Bảng tuần hoàn và tính chất tuần hoàn là nội dung mở đầu. Bán kính nguyên tử giảm dần từ trái sang phải trong một chu kỳ. Nguyên nhân chính là không có quỹ đạo mới nào được thêm vào khi số nguyên tử tăng. Điện tích hạt nhân hiệu dụng Z* tăng dần, khiến hạt nhân tác động mạnh hơn lên electron ngoài cùng. Tuy nhiên, có nhiều ngoại lệ đáng chú ý. Bán kính nguyên tử của nhôm và gali gần bằng nhau do hiệu ứng co quỹ đạo d. Bán kính của zirconi và hafni cũng tương đương do hiện tượng co lanthan. Điện tích ion cũng tuân theo quy luật riêng. Cation có bán kính nhỏ hơn nguyên tử tương ứng vì mất electron. Anion có bán kính lớn hơn nguyên tử tương ứng. Những xu hướng này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất hóa học của nguyên tố.

2.1. Xu hướng bán kính nguyên tử và các ngoại lệ quan trọng

Bán kính nguyên tử giảm từ trái sang phải trong một chu kỳ. Điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng lên khi số nguyên tử tăng. Hạt nhân hút electron ngoài cùng mạnh hơn, làm giảm kích thước nguyên tử. Có hai ngoại lệ chính cần ghi nhớ. Thứ nhất, bán kính Al và Ga gần bằng nhau vì có mười nguyên tố chuyển tiếp nằm giữa. Quỹ đạo d có khả năng chắn electron kém, tạo ra hiệu ứng co quỹ đạo d. Thứ hai, bán kính Zr và Hf gần như bằng nhau do co lanthan. Hiện tượng này xảy ra khi electron lấp đầy quỹ đạo f có khả năng chắn rất yếu.

2.2. Liên kết hóa học và các mô hình lý thuyết cơ bản

Sách giới thiệu ba loại liên kết hóa học chính: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết kim loại. Liên kết ion hình thành khi electron chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Liên kết cộng hóa trị hình thành khi các nguyên tử chia sẻ electron. Mô hình VSEPR dựa vào lực đẩy giữa các cặp electron để dự đoán hình dạng phân tử. Mô hình orbital phân tử xem xét sự chồng chéo của các orbital nguyên tử. Liên kết sigma là liên kết trục đối xứng. Liên kết pi hình thành từ sự chồng chéo bên. Mô hình băng giải thích tính dẫn điện của kim loại.

III. Phương pháp đánh giá tính bền vững hợp chất ion qua chu trình Born Haber

Chu trình Born-Haber là công cụ quan trọng để đánh giá sự hình thành và tính bền vững của hợp chất ion. Chu trình này dựa trên định luật Hess về bảo toàn năng lượng. Năng lượng hình thành hợp chất ion được biểu diễn dưới dạng chu trình tuần hoàn. Có năm bước năng lượng chính cần xét. Bước đầu tiên là thăng hoa nguyên tử kim loại từ trạng thái rắn sang khí. Bước hai là ion hóa nguyên tử kim loại, tạo cation. Bước ba là phân ly phân tử phi kim thành nguyên tử. Bước bốn là electron affinity, nguyên tử phi kim nhận electron tạo anion. Bước năm là năng lượng mạng tinh thể, ion dương và ion âm kết hợp thành hợp chất rắn. Tổng entanpy hình thành ΔHf quyết định tính bền vững. Nếu ΔHf âm, hợp chất ion được hình thành và bền vững. Nếu ΔHf dương, hợp chất ion không được hình thành. Ví dụ cụ thể với NaCl cho thấy các giá trị năng lượng thực tế minh họa rõ ràng nguyên lý này.

3.1. Năm bước năng lượng trong chu trình Born Haber

Chu trình Born-Haber gồm năm bước năng lượng riêng biệt. Bước một là năng lượng thăng hoa ΔHsub, chuyển kim loại từ rắn sang khí. Giá trị này luôn dương vì quá trình thu nhiệt. Bước hai là năng lượng ion hóa IE, loại electron khỏi nguyên tử kim loại. Giá trị IE cũng dương. Bước ba là nửa năng lượng phân ly ½ΔHDiss, tách nguyên tử phi kim từ phân tử. Bước bốn là ái lực electron Ea, nguyên tử phi kim nhận electron. Giá trị Ea thường âm, tỏa nhiệt. Bước năm là năng lượng mạng tinh thể U₀, ion kết hợp thành tinh thể. U₀ luôn âm và có giá trị tuyệt đối lớn.

3.2. Ứng dụng chu trình để tính toán và dự đoán tính bền hợp chất

Phương trình Born-Haber cho phép tính toán entanpy hình thành hợp chất ion. Công thức tổng quát là ΔHf bằng tổng năm thành phần năng lượng. Giá trị ΔHf âm cho thấy phản ứng tỏa nhiệt, hợp chất bền vững. Giá trị ΔHf dương cho thấy phản ứng thu nhiệt, hợp chất không bền. Với NaCl, các giá trị cụ thể được tính toán chi tiết. Năng lượng thăng hoa natri là 108,8 kJ/mol. Năng lượng ion hóa natri là 493,7 kJ/mol. Nửa năng lượng phân ly clo là 121,3 kJ/mol. Ái lực electron clo là âm 359,8 kJ/mol. Năng lượng mạng tinh thể NaCl là âm 775,0 kJ/mol. Tổng ΔHf bằng âm 411,0 kJ/mol, xác nhận NaCl bền vững.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của cuốn sách hóa học vô cơ

Cuốn sách Basic Concepts of Inorganic Chemistry cung cấp nền tảng vững chắc cho việc học hóa học vô cơ. Nội dung sách bao quát các chủ đề cốt lõi từ bảng tuần hoàn đến liên kết hóa học và lý thuyết axit bazơ. Phương pháp trình bày hệ thống giúp sinh viên tiếp cận kiến thức một cách logic. Các khái niệm về xu hướng bán kính nguyên tử, năng lượng ion hóa và độ âm điện được giải thích rõ ràng. Mô hình VSEPR và orbital phân tử giúp dự đoán hình dạng và tính chất phân tử. Chu trình Born-Haber cung cấp công cụ tính toán năng lượng hợp chất ion. Lý thuyết axit bazơ Bronsted-Lowry và khái niệm pH có ứng dụng rộng rãi. Dung dịch đệm đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học và công nghiệp. Cuốn sách là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên, giảng viên và nhà nghiên cứu hóa học vô cơ tại các trường đại học.

4.1. Giá trị học thuật và ứng dụng trong đào tạo đại học

Cuốn sách đóng vai trò quan trọng trong chương trình đào tạo hóa học vô cơ đại học. Nội dung được xây dựng theo trình tự logic, từ đơn giản đến phức tạp. Sinh viên có thể tự học và củng cố kiến thức qua các ví dụ minh họa cụ thể. Các khái niệm về bảng tuần hoàn giúp hiểu rõ tính chất nguyên tố. Lý thuyết liên kết hóa học hỗ trợ dự đoán cấu trúc và tính chất chất. Phương pháp chu trình Born-Haber rèn luyện kỹ năng tính toán nhiệt hóa học. Cuốn sách cũng phục vụ ôn tập cho các kỳ thi tuyển sinh và thi chuyển cấp. Giá trị của sách nằm ở cách trình bày dễ hiểu và hệ thống.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn của kiến thức hóa học vô cơ cơ bản

Kiến thức hóa học vô cơ có ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp. Hiểu biết về tính chất tuần hoàn giúp dự đoán hành vi hóa học của nguyên tố mới. Nguyên lý liên kết hóa học áp dụng trong thiết kế vật liệu mới. Mô hình VSEPR hữu ích trong ngành dược phẩm để thiết kế phân tử. Kiến thức về axit bazơ và dung dịch đệm quan trọng trong y sinh học. Năng lượng mạng tinh thể giúp đánh giá tính bền vững vật liệu gốm sứ. Lý thuyết orbital phân tử hỗ trợ phát triển xúc tác hóa học. Nền tảng hóa học vô cơ cũng cần thiết cho nghiên cứu khoa học vật liệu và công nghệ nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BASIC CONCEPTS OF INORGANIC CHEMISTRY (Second Edition) D.D) Formerly, Reader in Chemistry P. Ambedkar Bihar University Muzaffarpur) &KDQGLJDUK‡'HOKL‡&KHQQDL The aim of this publication is to supply information taken from sources believed to be valid and reliable. This is not an attempt to render any type of professional advice or analysis, nor is it to be treated as such. While much care has been taken to ensure the veracity and currency of the information presented within, neither the publisher nor its authors bear any responsibility for any damage arising from inadvertent omissions, negligence or inaccuracies (typographical or factual) that may have found their way into this book. Copyright © 2012 Dorling Kindersley (India) Pvt. Ltd Licensees of Pearson Education in South Asia No part of this eBook may be used or reproduced in any manner whatsoever without the publisher’s prior written consent. This eBook may or may not include all assets that were part of the print version. The publisher reserves the right to remove any material present in this eBook at any time. ISBN 9788131768617 eISBN 9788131798683 Head Office: A-8(A), Sector 62, Knowledge Boulevard, 7th Floor, NOIDA 201 309, India Registered Office: 11 Local Shopping Centre, Panchsheel Park, New Delhi 110 017, India DEDICATED TO “MY GURUS” This page is intentionally left blank. CONTENTS Preface xi 1. Periodic Table and  1 Bond length 64 Periodicity of Properties Bond energy 66 VSEPR model 68 Mendeleev’s periodic law 1 Structure and shape 68 Modern Periodic Table 2 Shape of Molecules 68 IUPAC table 2 Bond angle 72 Periodic table and Aufbau principle 3 Odd electron molecules 76 Determination of group and  3 Molecular orbital model 76 period of an element Shape and symmetry of molecular orbitals 78 Classification of elements 5 Formation of π bonds 79 Atomicity and elements of the periodic table 8 Diatomics of the first period elements 80 Effective nuclear charge 9 Homonuclear Diatomics of Second Period Atomic and ionic size 10 Elements 81 Ionization energy 17 NO molecule 87 Electron affinity 19 CO molecule 88 Electronegativity 21 Hydrogen bond 89 Physical properties and the periodic table 23 Van der Waals, forces 94 Artificial elements 29 Metallic bond 95 Some records of periodic table 30 Metal structures 95 Electron gas model 96 2. Chemical Bonding and 33 Band model 97 Molecular Structure  Cohesive energy 98 Different types of chemical bonds 33 Summery of bond types 34 3. Acids and Bases 102 Ionic bond 34 Bronsted–Lowry theory 102 Born – Haber cycle 37 Strength of acids and bases 103 Cations of stable electron configuration 38 PH 105 Polarization and its effects 38 Buffer solution 106 Lattice energy 40 Henderson equation 106 General properties of ionic compounds 42 Amphoterism 107 Covalent bonding 42 Acid strength 109 σ and π bonds 43 Strength of hydra acids 109 Comparison of σ and π bond 44 Strength of Oxy acids 110 Electronegativity 46 Base strength 113 Coordinate covalent bond 47 Strength of hydra bases  114 Electronegativity and Dipole moment 48 Strength of hydroxide bases 115 Lewis structure (or Dot structure) 52 Lewis Acid – Base theory 116 Resonance structure 54 Hard and soft acids and bases 118 Hybridization 55 Resonance 61 4. Chemical Reaction 122 Resonance effect 63 Types of chemical reactions 123 Resonance energy 63 Hydrolysis 126 Oxidation–reduction reactions 129 Organometallic compounds 192 Oxidation number 130 Preparation of organometallies 194 Oxidizing agents 132 Bonding in organometallic compounds 195 Reducing agents 132 Bonding in alkene complexes 196 Oxidizing and reducing agents 133 Strength of oxidants and reductants 134 7. Abundance and metallurgy 201 Equivalent weights of oxidizing 136 Chemical elements in the Earth’s crust 201 and reducing agents Cosmic abundance of elements 201 Balancing of redox reactions 137 Abundance in oceans 202 Oxidation number method 137 Occurrence of metals 202 Ion–electron method 137 Metallurgy 203 Some important half reactions 141 Terms used in metallurgical process 203 Concentration of ore 205 5. Transition Elements  144 Leaching 207 General properties 146 Isolation of metal from concentrated ore 207 Atomic and ionic radii 146 Thermal (or chemical reduction) 208 Bonding in Transition metals and Auto reduction 208 its effect on properties 147 Electrolytic method of reduction 209 Electrode potential 148 Displacement of one metal by the other 209 Oxidation states 148 Purification of isolated metals 209 Paramagnetic nature of transition metal Sodium 211 compounds 151 Magnesium 212 Complex compound formation 152 Calcium 214 Colour of transition metal compounds 152 Aluminium 215 The d – d transition 152 Iron 218 Colour and charge transfer 154 Ashoka Pillar at Delhi 218 Hydrolysis of transition metal compounds 154 Pig iron 220 Catalytic property 155 Grey cast iron 220 Lanthanides and actinides 160 White cast iron 220 Wrought iron 220 6. Coordination Chemistry 166 Steel 221 Coordination number 166 Special steel 221 Types of ligands 166 Conversion of iron into steel 221 Chelates 167 Steel from wrought iron 223 Conditions for complex formation 167 Comparison Pig iron, Wrought and Steel 224 Werner’s coordination theory 168 Heat treatments of steel 224 Nomenclature 171 Chemically pure iron 225 Valence bond model for complexes 172 Brief chemistry of iron 225 Crystal field model of bonding 176 Corrosion of iron 228 Stability and CF model 178 Important compounds of iron 228 Magnetic properties and CF model 180 Copper 230 Colour and CF model 181 Alloys of copper 232 Isomerism in coordination compounds 183 Brief chemistry of Cu 233 Geometrical isomerism 185 Important compounds and complexes 235 Optical isomerism 188 Zinc 236 Preparations of complex compounds 191 Brief chemistry of Zn 237 Stability of complex  191 Important compounds 239 compound in a solution Mercury 239 Applicability of complex compounds 192 Brief chemistry of Hg 240 Important compounds 242 Alkali metals and liquid NH3 305 Tin 243 Anomalous behaviour of Li 306 Allotropic forms 244 Chemical reaction  245 11. Group – 2(IIA) [Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra] 309 Lead 246 Properties which decrease down the group 310 Physical properties 247 Properties which increase down the gorup 311 Important compounds 248 Oxidation states and nature of bond 311 8. Important Chemical Compounds 252 Hydrides 311 Halides 312 Metal compounds 252 Oxides and hydroxides 314 NaOH 255 Oxo salts 316 Na2Co3 258 Flame colouration 318 K2Cr2O7  261 KMnO4 265 12. Group – 11(IIB) Cu, Ag, Au 321 Non-metal compounds 266 Metallic bond strength 322 O3 266 Sublimation energy 322 H2O2 268 Atomic and ionic radii 322 NA2S2O3 273 Ionization energy 322 H2S 274 Noble metal nature 322 9. Hydrogen and Its Chemistry 278 Malleability, thermal and electrical Position in the periodic table 278 conductivities 323 Isotopes of H 278 Oxidation states 323 Oxidation states and bonding 280 Magnetic properties 324 Preparation of H2 281 Colour of compounds 325 Uyeno’s reaction 282 Solubility of Silver–Hlides 326 Bosch’s process 283 Chemistry of photography 326 Lane’s process 283 13. Group – 12(IIB) Zn, Cd, Hg 329 Laboratory Preparation of H2 284 Nascent Hydrogen 284 Ionization energy 330 Compounds of protium (H) 285 Oxidation states 330 Water 286 Nature of bonds 331 Zeolite water 289 Electrode potential 331 Water clathrates 289 Magnetic properties 332 Hard and soft water 289 Colour of compounds 332 Temporary hardness 290 Some useful compounds 333 Permanent hardness 290 Biochemistry of Zn, Cd and Hg 333 Inorganic exchangers 291 14. Group – 13 (IIIA) B, Al, Ga, In, Td 336 Organic exchangers 291 Bad effects of hard water 291 Oxidation states and nature of bond 337 Structure of water and ice 292 Hydrides 339 Density of water and ice 293 Diborane 339 Density of water at 4oC 293 Structure of B2H6 340 Heavy water 293 Borazole 342 Boric acid 345 10. Group – 1(IA) The alkali metals 299 Halides 346 Chemical reactions 301 Lewis acid strength of BX3 347 OXO salts 302 Alums 347 Halides 303 Isolation of B 348 Flame colour 305 Crystalline B 348 15. Group – 14(IVA) C, Si, Ge, Sn, Pb 351 Viscosity of liquid S and temperature 401 Oxidation state and nature of bond 401 Catenation 351 Hydrides 403 Allotropy and structure 352 H2O2 404 Graphite 352 Strength of H2O2 405 Diamond 353 Acid strength of H2O2 and H2O 405 Fullerenes 353 Structure of H2O2 406 Semiconductor property of Si and Ge 354 Halides 406 Physical properties of group – 14 elements 355 SOCl2 406 Oxidation states and bonding 355 Oxides 408 Carbides 356 Oxo acids 414 Oxides 357 Cyanogens 360 18. Group – 17 (VIIIA) Halogens HCN 360 F, Cl, Br, I, and At 420 Cyanides 361 Halides 362 Physical state 420 Hydrides 364 Special properties of F 422 Silicones 364 Oxidation state and bonding 422 Silicates 366 Formation of X2 423 Isolation of Si 368 Manufacture of Cl2 424 Manufacture of Br2 425 16. Group – 15(VA)N, P, As, Sb, Bi 372 Manufacture of I2 425 Reactions of X2 426 Allotropes of P 373 Hydrogen halides 427 Oxidation state and nature of bond 374 HF 428 Hydrides 375 HCl 429 NH3 377 HBr  430 PH3 378 Hl 430 Oxides on N and P 378 Halides 431 N2O 379 Preparation of anhydrous halides 433 NO 379 Halogen oxides 433 N2O3 380 Oxo acids 435 NO2 380 Acid Strength 436 N2O5 381 Oxidizing power 436 P4O6 and P4O10 381 CIO–n anions 437 HNO2 382 Halic acids 439 HNO3 383 Perhalic acids 440 Aquaregia 385 Interhalogen compounds 441 H3PO2 386 Pseudohalogens and pseudohalides 443 H3PO3 386 Phosphoric acids 387 19. Group – 18 The Noble Gases 447 Acid strength of H3PO2, H3PO3 and P3PO4 389 Halides 389 Atomicity 447 Isolation of N and P 392 Radii 448 Fertilizers 393 Water solubility 448 Special properties of He 448 17. Group–16(VIA) O, S, Se, Te, Po 399 Uses of noble gas 449 Clathrate 449 Physical state of the elements 399 Xe compounds 449 Allotropy of O and S 400 Structure of Xe – Compounds 452 Effect of heat on S 401 20. Analytical Chemistry 454 Sulphate 464 Tests for basic radicals 464 Carbonates 455 Flame test 466 Sulphite 456 Borax bead test 466 Nitrite 459 Solution test for basic radicals 468 Chlorides 460 Test of NH+4 ion 469 Bromides 461 Iodide 462 21. Problems on Inorganic Reactions 484 Nitrate 463 Additional Practice Questions 491 This page is intentionally left blank. Preface Inorganic Chemistry is the least taught portion of Class 12 Chemistry course. Good part about the questions from the inorganic portion is that they are solely based on the principles. But the books already available in the market talk least of the principles and more about the experimental details and other things. This book mainly deals with the principles of inorganic chemistry and uses experimental conditions only when it is needed. This book has been written to meet the needs of students from different courses and different boards like CBSE, ICSE and various State boards. I am indebted to several of my colleagues for their suggestion and criticism. I am also thankful to my family members for encouragement, especially my daughter, Shiva, in the final draft. I sincerely appreciate the help of Mr Lalit Kumar Gupta in the preparation of the manuscript. I hope the readers will appreciate this book and any comments/suggestions towards improving the text would be welcome. Singh This page is intentionally left blank. 1 Periodic Table and Periodicity of Properties In 19th century, (before 1869) many pseudoscientific arrangement of elements were proposed. But none withstood the test of time and so were rejected. During 1869, first of all, Mendeleev (Russian chemist) realized that atomic weights of elements are related with their properties. On this observation, he proposed a law for the arrangement of elements. Mendeleev’s Periodic Law This law states that properties of elements and their compounds are the periodic function of their atomic weights. He, then arranged the elements in increasing order of their atomic weights. It resulted into a tabular form, so it is called Mendeleev’s periodic table. Only 63 elements were known when this classification was presented.