Đơn chất – hợp chất – phân tử

Hợp chất là chất tạo thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau liên kết hóa học với tỉ lệ xác định (ví dụ H₂O, NaCl, CH₃COOH).

Phân tử là một đơn vị cấu trúc gồm hai hay nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và tồn tại tách biệt (ví dụ H₂O, O₂, CO₂). Lưu ý: một số hợp chất rắn (như NaCl) không tồn tại dưới dạng phân tử tách rời mà dưới dạng đơn vị công thức trong mạng tinh thể.

Đơn chất

Đơn chất là gì ?

Đơn chất là những chất được tạo nên từ một nguyên tố hóa học.

Đơn chất gồm các nguyên tử của cùng một nguyên tố, có thể tồn tại ở dạng nguyên tử rời rạc (hiếm), phân tử (O₂, N₂), hay mạng tinh thể (kim loại, than ở dạng kim cương, silic ở dạng mạng tinh thể).

Cách gọi tên của đơn chất là gì ?

Cách gọi tên của đơn chất cũng rất đơn giản vì thường tên của đơn chất sẽ ứng với tên của nguyên tố tạo nên chất đó luôn, trừ một số ít trường hợp thì không phải và sau này các em sẽ được tiếp xúc sau. Một số nguyên tố có thể tạo nên 2,3 . . . dạng đơn chất như nguyên tố cacbon tạo nên than bao gồm các loại than khác nhau: than chì, than muội, than xương, than đá, than gỗ . . .) và cả kim cương.

Cấu tạo và phân loại đơn chất

• Mỗi nguyên tử gồm hạt nhân (proton mang điện dương và neutron trung hòa) và vỏ electron phân chia thành các lớp, mức năng lượng và orbital (s, p, d, f).
• Electron hóa trị là electron ở lớp ngoài cùng quyết định khả năng liên kết và tính hóa học.

Hợp Chất

Hợp chất là gì ?

Hợp chất là chất gồm hai hay nhiều nguyên tố liên kết hóa học theo tỉ lệ xác định, có tính chất riêng khác hẳn các nguyên tố thành phần.

Trong quá trình học tập của chúng ta thường gặp rất nhiều hợp chất khác nhau. Một ví dụ điển hình đó chính là nước được tạo nên từ hai nguyên tố hóa học là oxy và hidro, muối ăn (Natri clorua) có công thức hóa học là NaCl và nó được tạo nên bởi 2 nguyên tố hóa học là Natri và Clo, axit sunfuric có công thức hóa học là H2SO4 được tạo nên từ 3 nguyên tố hóa học là hidro, lưu huỳnh và oxy . . . thì những chất như thầy đã kể trên người ta gọi là Hợp Chất.

Phân loại hợp chất & tính chất

Hợp chất vô cơ

Oxit:

• Oxit kim loại (oxit bazơ): như Na₂O, CaO, kết cấu ion, thường tác dụng với nước tạo bazơ. Tính chất: điểm nóng chảy cao, dẫn điện khi nóng chảy hoặc tan.
• Oxit phi kim (oxit axit): như CO₂, SO₂, có thể phản ứng với nước tạo axit.
  Bản chất liên kết: oxit kim loại chủ yếu ion, oxit phi kim chủ yếu cộng hóa trị hoặc phân cực.

Axit: Là chất nhường proton hoặc nhận cặp electron. Có axit vô cơ mạnh như HCl, H₂SO₄ và axit yếu như H₂CO₃. Nguồn gốc độ mạnh liên quan đến độ bền bazơ liên hợp, phân bố điện tích, độ phân cực liên kết H–X.

Bazơ: Là chất nhận proton hoặc cho cặp electron. Bao gồm hiđroxit kim loại (NaOH), amoniac, bazơ hữu cơ. Tính bazơ phụ thuộc trên cặp electron tự do, cộng hưởng, thủy hóa.

Muối: Muối là sản phẩm của phản ứng axit-bazơ, gồm cation và anion (NaCl, K₂SO₄). Thường là hợp chất ion, tạo mạng tinh thể ion điển hình như cấu trúc đá muối.

Hợp kim: Là hỗn hợp rắn của hai hoặc nhiều nguyên tố hóa học, trong đó có ít nhất một kim loại (gang, thép, đồng thau, đuy-ra), được tạo ra để mang lại các tính chất vượt trội hơn so với kim loại nguyên chất ban đầu. Các đặc điểm như độ cứng, sức bền, khả năng chống ăn mòn và dẫn nhiệt, dẫn điện của kim loại có thể được cải thiện đáng kể khi tạo thành hợp kim.

Hợp chất hữu cơ

Được xây dựng trên khung carbon, liên kết cộng hóa trị chiếm ưu thế, có nhiều chức năng: ancol, ete, este, aldehyd, ceton, amin, acid cacboxylic…

Tính chất: phân cực hay không, phân tử khối, khả năng tạo liên kết hiđro, có ảnh hưởng lớn từ cấu trúc (nhóm thế, cộng hưởng, lai hóa).

Phản ứng đặc trưng: thay thế, cộng, loại bỏ, oxi hóa-khử, tách H, tạo enolate, phản ứng cộng nối đôi, v.v. Bản chất phụ thuộc vào mật độ electron tại vị trí phản ứng, năng lượng liên kết cần phá, và ổn định của sản phẩm trung gian.

Phức chất

Gồm ion kim loại trung tâm và các ligand (phân tử hay ion cung cấp cặp electron). Liên kết phối trí là kiểu cho-nhận cặp electron.

Hình học: thường là dạng bát diện, tứ diện, vuông phẳng tùy ligand và điện tích.

Tính chất: ổn định theo hằng số liên hợp; có phức màu do tách mức năng lượng d-orbital trong trường ligand, có ứng dụng xúc tác, sinh học (hem), vật liệu.

Bản chất năng lượng: hình thành liên kết phối trí tỏa năng lượng, thay ligand và phản ứng phụ thuộc vào năng lượng thay thế và ổn định tương đối.

Đặc điểm cấu tạo

Trong một hợp chất các nguyên tử liên kết với nhau theo một trật tự nhất định và theo một tỷ lệ cố định.

Điều này chúng ta có thể hiểu là trong một phân tử thì số nguyên tử là cố định không thể thay đổi được thầy lấy ví dụ phân tử nước [H2O] được tạo nên bởi 2 nguyên tố là hidro và 1 nguyên tố oxy. Số lượng nguyên tở oxy và hidro không thể thay đổi và nếu như có sự thay đổi như tăng thêm số lượng oxy thì khi đó chúng ta đang hiểu nó là chất khác [H2O2] mà sẽ không còn phải là nước nữa.

Về trật tự liên kết trong phân tử nước có góc liên kết là 104,45° và góc liên kết này sẽ không thay đổi nhiều tạo nên đặc điểm cấu tạo của nước mà chúng ta có thể so sánh với những chất khác.

Các cấu trúc mạng tinh thể điển hình của hợp chất

• Mạng ion (muối): NaCl (đá muối), CsCl, CaF₂. Đặc trưng bởi năng lượng mạng tinh thể cao, điểm nóng chảy cao, dẫn điện ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch.
• Mạng cộng hóa trị (mạng liên kết): kim cương, thạch anh (SiO₂), BN; ở đây mọi nguyên tử liên kết bền vững bằng liên kết cộng hóa trị tạo mạng ba chiều. Vật liệu rất cứng, điểm nóng chảy cao, không dẫn điện (trừ một số).
• Mạng kim loại: đã nói ở trên cho đơn chất kim loại nhưng hợp chất kim loại rắn cũng có thể có mạng kim loại/kim loại-dạng hợp kim.
• Mạng phân tử: pha rắn cấu tạo bởi phân tử riêng rẽ gắn kết bằng liên kết yếu hơn như hiđro, lực Van der Waals. Ví dụ băng, iốt rắn, nhiều chất hữu cơ rắn.

Mức năng lượng trong hợp chất

• Mức năng lượng điện tử: liên quan đến orbital nguyên tử lai hóa và orbital phân tử; độ phân tán năng lượng tạo nên dải trong vật liệu rắn.
• Mức năng lượng dao động (rung), quay: liên quan đến phổ hồng ngoại và vi sóng; thông số này phản ánh liên kết hóa học (độ cứng của liên kết).
• Năng lượng mạng tinh thể (ion): năng lượng cần để tách rời mạng ion thành ion khí; ảnh hưởng độ hòa tan và độ bền nhiệt.

Phân tử

Phân tử là gì ?

Phân tử là hạt đại diện cho chất, gồm một số nguyên tử liên kết với nhau và thể hiện đầy đủ tính chất hóa học của chất đó.

Như trước đây chúng ta đã tìm hiểu thì khí hidro và khí oxy hợp thành đều gồm 2 nguyên tử cùng loại liên kết với nhau, nước có các hạt hợp thành gồm 2 nguyên tử hidro và 1 nguyên tử oxy, muối ăn hợp thành bởi Natri và Clo theo tỷ lệ 1:1 thì các hạt hợp thành của một chất thì đồng nhất như nhau về thành phần và hình dạng. Tính chất hóa học của chất đó sẽ bao gồm tính chất của từng hạt. Mỗi hạt thể hiện đầy đủ tính chất hóa học của chất là đạo diện cho chất về hóa học và chúng được gọi là phân tử.

Với đơn chất kim loại thì nguyên tử chính là hạt hợp thành và có vai trò như phân tử.

Cấu trúc và liên kết trong phân tử

• Cấu trúc Lewis biểu diễn các electron hóa trị, giúp dự đoán số liên kết và cặp electron không liên kết.
• Hình học phân tử được dự đoán bằng thuyết đẩy cặp electron vỏ hóa trị (VSEPR). Ví dụ H₂O có hình chữ V do hai cặp đơn trên oxy đẩy hai liên kết H–O.
• Lai hóa orbital (lai sp, sp², sp³) giải thích góc liên kết và độ bền liên kết. Lai hóa càng hướng tới s chứa nhiều thành phần s thì liên kết có năng lượng khác nhau và khoảng cách khác nhau.
• Mô hình orbital phân tử mô tả sự kết hợp orbital nguyên tử thành orbital phân tử nối và chống nối. Mức năng lượng của orbital phân tử cao hay thấp quyết định tính phản ứng. Orbital chứa electron dễ nhường là “cao” trong năng lượng, còn orbital trống thấp là dễ nhận electron.

Tính phân cực và tương tác giữa phân tử

• Độ phân cực liên kết do chênh lệch độ âm điện; phân tử phân cực có moment lưỡng cực dẫn tới tương tác tĩnh điện giữa phân tử.
• Liên kết hiđro là tương tác mạnh giữa H được gắn vào nguyên tử rất âm điện và một cặp electron trên nguyên tử khác; giải thích điểm sôi cao của nước, liên kết cơ bản trong protein và DNA.
• Lực Van der Waals gồm lực London (phân tán), lực định hướng tĩnh điện… chi phối tính chất các tinh thể phân tử.

Phân tử khối

Cũng như nguyên tử khối, phân tử khối là khối lượng của một phân tử tính bằng đơn vị cacbon
Phân tử khối của một chất bằng tổng nguyên tử khối của các nguyên tử trong phân tử chất đó. Thí dụ, phân tử khối của õi bằng 2×16 = 32 đvC, phân tử khối của nước bằng 2×1+16×1 = 18đvC.

Cách tính phân tử khối

Phân tử khối chính là khối lượng của một phân tử, được xác định bằng tổng khối lượng nguyên tử của tất cả các nguyên tử cấu tạo nên phân tử đó.

Như chúng ta đã biết, phân tử là tập hợp nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Vì vậy, để tính phân tử khối, ta cần cộng toàn bộ khối lượng nguyên tử (tính theo đơn vị u) của các nguyên tử thành phần trong phân tử.

Ví dụ: tính phân tử khối của phân tử nước H₂O, gồm 2 nguyên tử hidro và 1 nguyên tử oxi:

\[M_{H_2O} = 2 \times M_H + 1 \times M_O\]

Với M_H ≈ 1u, M_O ≈ 16u ta có:

\[M_{H_2O} \approx 2 \times 1 + 16 = 18u \]

Đơn vị khối lượng nguyên tử (u)

Giống như khi tính nguyên tử khối, 1 u (đơn vị khối lượng nguyên tử) được định nghĩa bằng 1/12​ khối lượng của một nguyên tử carbon-12, giá trị quy đổi:

\[1u \approx 1,660539 \times 10^{-27} kg\]

Phân tử khối trung bình

Trong thực tế, các nguyên tố thường tồn tại ở dạng hỗn hợp nhiều đồng vị. Do đó, phân tử khối trung bình được tính bằng cách cộng trung bình có trọng số khối lượng các đồng vị tham gia tạo nên phân tử, theo tỉ lệ phong phú tự nhiên của từng đồng vị.

\[M_{ pt, tb} = \sum_j \Big( \prod_i f_{i} \times m_{i} \Big)_j\]

Trong đó:

• f_i​ là phần trăm tự nhiên (tỉ lệ mẫu) của đồng vị i,
• m_i là khối lượng của đồng vị i,
• tổng trên thể hiện các dạng kết hợp đồng vị khác nhau trong phân tử.

Phương pháp xác định:
Khối lượng phân tử được xác định thông qua các phép đo bằng khối phổ, từ đó tính ra khối lượng chính xác của từng nguyên tử và phân tử, rồi suy ra giá trị trung bình theo thành phần đồng vị.

Trạng thái của chất

Trên thực tế mỗi mẫu chất là tập hợp vô cùng lớn những nguyên tử như đơn chất kim loại hay những phân tử như các hợp chất. Tùy vào từng điều kiện về nhiệt độ, áp suất mà sẽ có những trạng thái khác nhau như rắn lỏng hay khí.

Khi ở trạng thái rắn, các nguyên tử sắp xếp khít với nhau và chúng dao động tại chỗ, ở trạng thái lỏng các hạt ở sát gần nhau và chuyển động trượt lên nhau, còn ở trạng thái khí các hạt xa nhau và chuyển động nhanh hơn về nhiều phía khác nhau.

Tóm tắt:

• Khí: phân tử chuyển động tự do, năng lượng động học lớn so với năng lượng liên kết giữa phân tử.
• Lỏng: có tương tác giữa phân tử nhưng vẫn di chuyển và thay đổi vị trí.
• Rắn: phân tử cố định hoặc dao động quanh vị trí, kiểu sắp xếp quyết định loại mạng tinh thể (phân tử, ion, cộng hóa trị hay kim loại).

Ghi nhớ

Ví dụ minh họa tiêu biểu

• Kim loại Na: cấu trúc BCC, liên kết kim loại, dễ mất electron thành Na⁺; phản ứng mạnh với nước tạo NaOH và H₂ do năng lượng tạo liên kết O–H và giải phóng H₂.
• O₂ và O₃: O₂ là phân tử hai nguyên tử liên kết đôi, O₃ là phân tử ba nguyên tử với cộng hưởng; ozone có năng lượng cao hơn và phản ứng mạnh hơn do cấu trúc kém bền.
• NaCl (muối ăn): mạng tinh thể ion đá muối, năng lượng mạng lớn, điểm nóng chảy cao, tan trong nước vì năng lượng thủy hoá bù cho năng lượng mạng.
• H₂O: phân tử có liên kết hiđro mạnh giữa phân tử, dẫn tới điểm sôi cao bất thường, hằng số điện môi lớn giúp hòa tan ion tốt.
• Cacbon: kim cương và graphit: kim cương mạng cộng hóa trị ba chiều cực bền, rất cứng; graphit mạng lớp với liên kết yếu giữa lớp, dẫn điện theo mặt phẳng. Sự khác nhau do cách lai hóa và sắp xếp nguyên tử.

Một số dạng bài tập đơn chất – hợp chất và phân tử

Để giải một số câu hỏi, bài tập liên quan tới phần này mong các em nhớ kĩ lí thuyết mình đã học ở bên trên nhé. Những câu hỏi cũng không quá khó nhưng chúng ta phải biết thì mới có thể và làm dễ dàng được.

Câu hỏi số 01:

Từ một nguyên tố hóa học có thể tạo nên bao nhiêu đơn chất ?

A. Chỉ một đơn chất.

B. Chỉ hai đơn chất.

C. Chỉ ba đơn chất.

D. Tùy thuộc vào tính chất của nguyên tố hóa học đó.

Trả lời:

Tác giả: TC – Chemistry, TC-Chemistry