Tính chất của Chất và Hỗn hợp

Mục tiêu học tập 3.1.A: Giải thích mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học của phân tử và độ tương đối của lực liên phân tử của chúng khi: i. Các phân tử thuộc cùng một loài hóa học. ii. Các phân tử thuộc hai loài hóa học khác nhau.

• 3.1.A.1 Lực phân tán London là kết quả của các tương tác Coulomb giữa các dipole tạm thời, dao động. Lực phân tán London thường là lực liên phân tử tổng hợp mạnh nhất giữa các phân tử lớn.
  • i. Lực phân tán tăng lên khi diện tích tiếp xúc giữa các phân tử tăng lên và khi độ phân cực của các phân tử tăng lên.
  • ii. Độ phân cực của một phân tử tăng lên khi số lượng electron trong phân tử tăng lên và kích thước của mây electron tăng lên. Nó được tăng cường bởi sự hiện diện của liên kết pi.
  • iii. Thuật ngữ "lực phân tán London" không nên được sử dụng đồng nghĩa với thuật ngữ "lực van der Waals".
• 3.1.A.2 Moment dipole của một phân tử phân cực dẫn đến các tương tác bổ sung với các loài hóa học khác.
  • i. Tương tác dipole-cảm ứng dipole tồn tại giữa một phân tử phân cực và một phân tử phi phân cực. Những lực này luôn là lực hút. Độ mạnh của những lực này tăng lên theo độ lớn dipole của phân tử phân cực và theo độ phân cực của phân tử phi phân cực.
  • ii. Tương tác dipole-dipole tồn tại giữa các phân tử phân cực. Độ mạnh tương tác phụ thuộc vào độ lớn của các dipole và hướng tương đối của chúng. Tương tác giữa các phân tử phân cực thường lớn hơn tương tác giữa các phân tử phi phân cực có kích thước tương đương vì những tương tác này hoạt động ngoài các lực phân tán London.
  • iii. Lực hút ion-dipole tồn tại giữa các ion và phân tử phân cực. Những lực này thường mạnh hơn lực dipole-dipole.
• 3.1.A.3 Độ tương đối và sự phụ thuộc vào hướng của lực dipole-dipole và ion-dipole có thể được hiểu một cách định tính bằng cách xem xét dấu của các điện tích riêng phần chịu trách nhiệm cho mô men dipole phân tử, cũng như cách các điện tích riêng phần này tương tác với một ion hoặc với một dipole lân cận.
• 3.1.A.4 Liên kết hydro là một loại tương tác liên phân tử mạnh xảy ra khi nguyên tử hydro liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử có độ âm điện cao (N, O, và F) bị hút về phía cực âm của dipole được tạo thành bởi nguyên tử âm điện (N, O, và F) trong một phân tử khác, hoặc ở một phần khác của cùng một phân tử.
• 3.1.A.5 Trong các sinh chất lớn, các tương tác không cộng hóa trị có thể xảy ra giữa các phân tử khác nhau hoặc giữa các vùng khác nhau của cùng một sinh chất lớn.

Mục tiêu học tập 3.2.A: Giải thích mối quan hệ giữa các tính chất vĩ mô của một chất, cấu trúc cấp độ hạt của chất đó, và các tương tác giữa các hạt này.

• 3.2.A.1 Nhiều tính chất của chất lỏng và chất rắn được xác định bởi độ mạnh và loại các lực liên phân tử hiện diện. Vì các tương tác liên phân tử bị vượt qua hoàn toàn khi một chất bay hơi, áp suất hơi và nhiệt độ sôi liên quan trực tiếp đến độ mạnh của các tương tác đó. Nhiệt độ nóng chảy cũng có xu hướng tương quan với độ mạnh của tương tác, nhưng vì các tương tác chỉ được sắp xếp lại, chứ không bị phá vỡ hoàn toàn, nên mối liên hệ có thể tinh tế hơn.
• 3.2.A.2 Các biểu diễn ở cấp độ hạt, hiển thị nhiều loài hóa học tương tác lẫn nhau, là một phương tiện hữu ích để giao tiếp hoặc hiểu cách các tương tác liên phân tử giúp hình thành nên các tính chất vĩ mô.
• 3.2.A.3 Do tương tác mạnh giữa các ion, chất rắn ion thường có áp suất hơi thấp, nhiệt độ nóng chảy cao và nhiệt độ sôi cao. Chúng thường dễ vỡ do sự đẩy giống charge gây ra khi một lớp trượt qua lớp khác. Chúng dẫn điện chỉ khi các ion di chuyển được, ví dụ như khi chất rắn ion bị nóng chảy (tức là ở trạng thái nóng chảy) hoặc hòa tan trong nước hoặc dung môi khác.
• 3.2.A.4 Trong chất rắn mạng cộng hóa trị, các nguyên tử liên kết cộng hóa trị với nhau thành một mạng lưới ba chiều (ví dụ: kim cương) hoặc các lớp của mạng lưới hai chiều (ví dụ: than chì). Những chất này chỉ được tạo thành từ phi kim và bán kim: nguyên tố (ví dụ: kim cương, than chì) hoặc hợp chất nhị nguyên (ví dụ: silicon dioxide và silicon carbide). Do tương tác cộng hóa trị mạnh, chất rắn cộng hóa trị có nhiệt độ nóng chảy cao. Chất rắn mạng lưới ba chiều cũng cứng và giòn, vì góc liên kết cộng hóa trị được cố định. Tuy nhiên, than chì mềm vì các lớp liền kề có thể trượt qua nhau tương đối dễ dàng.
• 3.2.A.5 Chất rắn phân tử bao gồm các đơn vị phân tử riêng biệt, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và hút nhau thông qua các lực tương tác phân tử tương đối yếu. Chất rắn phân tử thường có nhiệt độ nóng chảy thấp do các lực tương tác phân tử yếu giữa các phân tử. Chúng không dẫn điện vì các electron hóa trị bị giữ chặt trong các liên kết cộng hóa trị và cặp electron tự do của mỗi phân tử cấu thành. Chất rắn phân tử đôi khi được tạo thành từ các phân tử rất lớn hoặc polymer.
• 3.2.A.6 Chất rắn kim loại là chất dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nhờ sự tồn tại của các electron hóa trị tự do. Chúng cũng có xu hướng dễ dái và dễ kéo dài, do lõi kim loại có thể sắp xếp lại cấu trúc một cách dễ dàng. Trong hợp kim xen kẽ, các nguyên tử xen kẽ có xu hướng làm cho mạng tinh thể cứng hơn, giảm khả năng dễ dái và dễ kéo dài. Hợp kim thường duy trì "biển" các electron di chuyển, nên vẫn giữ tính dẫn điện.
• 3.2.A.7 Trong các sinh phân tử lớn hoặc polymer, các tương tác phi cộng hóa trị có thể xảy ra giữa các phân tử khác nhau hoặc giữa các vùng khác nhau của cùng một sinh phân tử lớn. Chức năng và tính chất của các phân tử như vậy phụ thuộc mạnh vào hình dạng của phân tử, điều này chủ yếu được quy định bởi các tương tác phi cộng hóa trị.

Mục tiêu học tập 3.3.A: Trình bày sự khác biệt giữa các pha rắn, lỏng và khí bằng mô hình cấp độ hạt.

• 3.3.A.1 Chất rắn có thể là tinh thể, nơi các hạt được sắp xếp theo cấu trúc ba chiều đều đặn, hoặc vô định hình, nơi các hạt không có sự sắp xếp đều đặn, trật tự. Trong cả hai trường hợp, chuyển động của từng hạt riêng lẻ bị giới hạn, và các hạt không thực hiện sự dịch chuyển tổng thể so với nhau. Cấu trúc của chất rắn bị ảnh hưởng bởi tương tác giữa các hạt và khả năng đóng gói của chúng.
• 3.3.A.2 Các hạt cấu thành trong chất lỏng tiếp xúc gần với nhau và liên tục chuyển động, va chạm. Sự sắp xếp và chuyển động của các hạt bị ảnh hưởng bởi bản chất và độ mạnh của các lực (ví dụ: độ phân cực, liên kết hydro và nhiệt độ) giữa các hạt.
• 3.3.A.3 Các pha rắn và lỏng của một chất cụ thể thường có thể tích mol tương tự nhau vì, trong cả hai pha, các hạt cấu thành luôn tiếp xúc gần với nhau.
• 3.3.A.4 Trong pha khí, các hạt chuyển động liên tục. Tần suất va chạm và khoảng cách trung bình giữa chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thể tích. Do chuyển động liên tục này và hiệu ứng tối thiểu của lực giữa các hạt, khí không có thể tích xác định cũng như hình dạng xác định.
  • • statement loại trừ:* Việc hiểu/hiểu biểu đồ pha sẽ không được đánh giá trong kỳ thi AP.

Mục tiêu học tập 3.4.A: Giải thích mối quan hệ giữa các tính chất vĩ mô của một mẫu khí hoặc hỗn hợp khí bằng định luật khí lý tưởng.

• 3.4.A.1 Các tính chất vĩ mô của khí lý tưởng liên hệ với nhau qua định luật khí lý tưởng:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 Trong một mẫu chứa hỗn hợp khí lý tưởng, áp suất do mỗi thành phần gây ra (áp suất riêng phần) độc lập với các thành phần khác. Do đó, áp suất riêng phần của một khí trong hỗn hợp tỷ lệ thuận với tỷ lệ số mol của nó ($X$), và áp suất tổng của mẫu là tổng các áp suất riêng phần.
  • EQN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, nơi $X_{A} =$ mol A/tổng số mol;
  • EQN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 Các biểu diễn đồ thị về mối quan hệ giữa $P$, $V$, $T$ và $n$ hữu ích để mô tả hành vi của khí.

Mục tiêu học tập 3.5.A: Giải thích mối quan hệ giữa chuyển động của hạt và các tính chất vĩ mô của khí với: i. Lý thuyết động học phân tử (KMT). ii. Mô hình hạt. iii. Biểu diễn đồ thị.

• 3.5.A.1 Lý thuyết động học phân tử (KMT) liên hệ các tính chất vĩ mô của khí với chuyển động của các hạt trong khí. Phân bố Maxwell-Boltzmann mô tả sự phân bố động năng của các hạt ở một nhiệt độ xác định.
• 3.5.A.2 Tất cả các hạt trong một mẫu vật chất đều chuyển động liên tục, ngẫu nhiên. Động năng trung bình của một hạt liên hệ với vận tốc trung bình của nó theo phương trình:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 Nhiệt độ Kelvin của một mẫu vật chất tỷ lệ thuận với động năng trung bình của các hạt trong mẫu đó.
• 3.5.A.4 Phân bố Maxwell-Boltzmann cung cấp biểu diễn đồ thị về năng lượng/vận tốc của các hạt ở một nhiệt độ xác định.

Mục tiêu học tập 3.6.A: Giải thích mối quan hệ giữa các hành vi phi lý tưởng của khí, lực tương tác giữa hạt và/hoặc thể tích.

• 3.6.A.1 Định luật khí lý tưởng không giải thích được hành vi thực tế của khí thật. Sự sai lệch khỏi định luật khí lý tưởng có thể xuất phát từ lực hút giữa các hạt giữa các phân tử khí, đặc biệt ở các điều kiện gần với những điều kiện dẫn đến sự ngưng tụ. Sự sai lệch cũng có thể arises từ thể tích hạt, đặc biệt ở áp suất cực cao.

Mục tiêu học tập 3.7.A: Tính số hạt tan, thể tích hoặc nồng độ mol của dung dịch.

• 3.7.A.1 Dung dịch, đôi khi còn được gọi là hỗn hợp đồng nhất, có thể là rắn, lỏng hoặc khí. Trong dung dịch, các tính chất vĩ mô không thay đổi throughout mẫu. Trong hỗn hợp không đồng nhất, các tính chất vĩ mô phụ thuộc vào vị trí trong hỗn hợp.
• 3.7.A.2 Thành phần dung dịch có thể được biểu diễn theo nhiều cách; nồng độ mol là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong phòng thí nghiệm.
  • EQN: $M = n_{solute}/L_{solution}$

Mục tiêu Học tập 3.8.A: Sử dụng mô hình hạt cho hỗn hợp: i. Biểu diễn tương tác giữa các thành phần. ii. Biểu diễn nồng độ của các thành phần.

• 3.8.A.1 Các biểu diễn bằng hạt của dung dịch truyền tải cấu trúc và tính chất của dung dịch, thông qua việc minh họa nồng độ tương đối của các thành phần trong dung dịch và/hoặc các bản vẽ hiển thị sự tương tác giữa các thành phần.
  • Statement Loại Trừ: Tính chất coligative sẽ không được kiểm tra trong kỳ thi AP.
  • Statement Loại Trừ: Các phép tính về nồng độ molal, phần trăm khối lượng và phần trăm thể tích cho dung dịch sẽ không được kiểm tra trong kỳ thi AP.

Mục tiêu Học tập 3.9.A: Giải thích kết quả của một thí nghiệm tách dựa trên các tương tác liên phân tử.

• 3.9.A.1 Các thành phần của dung dịch lỏng không thể tách bằng lọc. Tuy nhiên, chúng có thể được tách bằng các quy trình tận dụng sự khác biệt về tương tác liên phân tử của các thành phần.
  • i. Sắc ký (giấy, lớp mỏng và cột) tách các loài hóa học bằng cách tận dụng sự khác biệt về cường độ tương tác liên phân tử giữa và trong các thành phần của dung dịch (phases di động) và với các thành phần bề mặt của phase tĩnh. Biểu đồ sắc ký thu được có thể được sử dụng để suy luận độ phân cực tương đối của các thành phần trong hỗn hợp.
  • ii. Chưng cất tách các loài hóa học bằng cách tận dụng sự khác biệt về cường độ tương tác liên phân tử giữa và trong các thành phần cũng như ảnh hưởng của các tương tác này lên áp suất hơi của các thành phần trong hỗn hợp.

Mục tiêu học tập 3.10.A: Giải thích mối quan hệ giữa độ tan của hợp chất ion và hợp chất phân tử trong dung môi nước và không phải nước, cũng như các tương tác liên phân tử giữa các hạt.

• 3.10.A.1 Các chất có tương tác liên phân tử tương tự thường hòa lẫn hoặc hòa tan lẫn nhau.

Mục tiêu học tập 3.11.A: Giải thích mối quan hệ giữa một vùng của phổ điện từ và các loại chuyển đổi phân tử hoặc điện tử liên quan đến vùng đó.

• 3.11.A.1 Sự khác biệt trong sự hấp thụ hoặc phát xạ photon trong các vùng quang phổ khác nhau liên quan đến các loại chuyển động phân tử hoặc chuyển đổi điện tử khác nhau:
  • i. Bức xạ vi sóng liên quan đến các chuyển đổi ở mức quay của phân tử.
  • ii. Bức xạ hồng ngoại liên quan đến các chuyển đổi ở mức dao động của phân tử.
  • iii. Bức xạ tử ngoại/công suất liên quan đến các chuyển đổi ở mức năng lượng điện tử.

Mục tiêu học tập 3.12.A: Giải thích tính chất của photon được hấp thụ hoặc phát xạ liên quan đến chuyển đổi điện tử trong nguyên tử hoặc phân tử.

• 3.12.A.1 Khi một photon được hấp thụ (hoặc phát xạ) bởi một nguyên tử hoặc phân tử, năng lượng của loài đó tăng lên (hoặc giảm đi) một lượng bằng đúng năng lượng của photon.

• 3.12.A.2 Bước sóng của sóng điện từ liên quan đến tần số và tốc độ ánh sáng theo phương trình:

  • EQN: $c = \lambda\nu$.

  Năng lượng của một photon liên quan đến tần số của sóng điện thông qua phương trình Planck:

  • EQN: $E = h\nu$.

Mục tiêu học tập 3.13.A: Giải thích lượng ánh sáng được hấp thụ bởi dung dịch chứa các phân tử hoặc ion liên quan đến nồng độ, chiều dài đường truyền và độ hấp thu mol.

• 3.13.A.1 Định luật Beer-Lambert liên hệ sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch với ba biến số theo phương trình:

  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

  Độ hấp thu mol, $\varepsilon$, mô tả mức độ mà một loài hóa học hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng cụ thể. Chiều dài đường truyền, $b$, và nồng độ, $c$, tỷ lệ thuận với số lượng hạt hấp thụ ánh sáng trên đường truyền ánh sáng.

• 3.13.A.2 Trong hầu hết các thí nghiệm, chiều dài đường truyền và bước sóng ánh sáng được giữ cố định. Trong những trường hợp này, độ hấp thu chỉ tỷ lệ thuận với nồng độ các phân tử hoặc ion hấp thụ. Máy quang phổ kế thường được thiết lập ở bước sóng có độ hấp thu cực đại (bước sóng tối ưu) cho loài đang được phân tích để đảm bảo độ nhạy đo lường tối đa.