chimiutza.pdf
196
Mihaela Ligia UNGUREŞAN Lorentz J˜NTSCHI U. T. Pres
-
Upload
tulipa-nigrarosa -
Category
Documents
-
view
54 -
download
0
description
g
Transcript of chimiutza.pdf
-
Mihaela Ligia UNGUREAN Lorentz JNTSCHI
U. T. Pres
-
Lorentz JNTSCHI Nscut la 8 Ianuarie 1973 n Fgra, Braov. Absolvent n anul 1991 al Liceului Teoretic Radu Negru Fgra, Liceniat n Informatic (1995), Chimie i Fizic (1997), Doctor n tiine Exacte, specializarea Chimie Organic i Computaional (2000) al Universitii Babe-Bolyai Cluj-Napoca. ef de lucrri la Universitatea Tehnic Cluj-Napoca. http://zeus.east.utcluj.ro/sim/chem/jlorentz.html [email protected]
Mihaela Ligia UNGUREAN Nscut la 17 Iunie 1972 n Gilu, Cluj. Absolvent n anul 1990 al Liceului de Matematic i Fizic Lucian Blaga Cluj-Napoca, Liceniat n Chimie i Fizic (1995), Masterat n Electrochimie Aplicat (1996) doctorand n tiine Exacte, specializarea Cinetic Chimic (2000) a Universitii Babe-Bolyai Cluj-Napoca. Asistent la Universitatea Tehnic Cluj-Napoca. http://zeus.east.utcluj.ro/sim/chem/umihaela.html [email protected]
Editura U. T. Pres
Str. Constantin Daicoviciu nr. 15 3400 Cluj-Napoca Tel. 064 195609, Fax 064 192055 Director: Prof. dr. ing. Traian One Consilier tiinific: Prof. dr. ing. Virgil Maier Consilier editorial: ing. Clin D. Cmpean Copyright 2001 Editura U. T. Pres ISBN: 973-8335-15-9 Toate drepturile asupra lucrrii aparin autorilor. Reproducerea integral sau parial a textului sau ilustraiilor este posibil numai cu acordul prealabil scris al primului autor.
2
-
Cuprins
Prefa ..........................................................................................................3
1. Noiuni fundamentale ale chimiei ........................................................5 1.1. Domeniile chimiei............................................................................5
1.2. Substane ..........................................................................................7
1.3. Distribuia elementelor n natur .....................................................8
1.4. Combinaii chimice........................................................................13
1.5. Formule chimice ............................................................................15
1.6. Cantitatea de substan...................................................................17
2. Reprezentri i clasificri ...................................................................21 2.1. Conceptul de sistem chimic ...........................................................21
2.2. Sistemul periodic al elementelor....................................................23
2.3. Cuantica funciilor orbitale ............................................................30
3. Clasificarea sistematic a elementelor ..............................................32 3.1. Criteriile clasificrii elementelor ...................................................32
3.2. Clasificarea periodic a elementelor..............................................32
3.3. Structura sistemului periodic .........................................................33
3.4. Proprieti fizice periodice.............................................................36
3.5. Proprietile chimice periodice ......................................................39
4. Electroni, ioni, fotoni ..........................................................................42 4.1. Componentele atomului .................................................................42
4.2. Sarcina electric .............................................................................42
4.3. Purttorii de sarcin electric.........................................................43
4.4. Radiaia electromagnetic. Fotonul ...............................................48
5. Nucleul atomic. Radioactivitatea. Radiaii , , ............................51
193
-
5.1. Particulele ncrcate grele (radiaii , p+, deuteroni) .....................54
5.2. Radiaiile i ..............................................................................54
5.3. Spectre de mas i acceleratoare nucleare .....................................55
6. Starea gazoas .....................................................................................57 6.1. Legile gazelor ideale ......................................................................57
6.2. Legea general a gazelor ideale .....................................................60
6.3. Legea lui Dalton.............................................................................61
6.4. Gazele reale....................................................................................62
7. Starea solid.........................................................................................65 7.1. Reele cristaline..............................................................................66
7.2. Transformri de stare .....................................................................74
8. Starea lichid .......................................................................................76 8.1. Modelul cinetic al lichidelor ..........................................................77
8.2. Presiunea de vapori ........................................................................78
8.3. Viscozitatea....................................................................................81
8.4. Modelul celular ..............................................................................83
8.5. Tensiune superficial .....................................................................85
9. Legtura chimic.................................................................................88 9.1. Clasificarea legturilor chimice .....................................................88
9.2. Modelul legturii covalente ...........................................................89
9.3. Metoda orbitalilor moleculari ........................................................91
9.4. Legtura ionic...............................................................................93
9.5. Legtura metalic...........................................................................96
9.6. Legturi intermoleculare................................................................98
10. Metale .................................................................................................100 10.1. Metale neferoase uoare ............................................................100
194
-
10.2. Metale neferoase grele...............................................................101
10.3. Metale rare uor fuzibile............................................................105
10.4. Metale rare greu fuzibile ...........................................................107
10.5. Fierul, Fe....................................................................................109
10.6. Metale preioase.........................................................................110
10.7. Supraconductibilitate .................................................................112
11. Ceramici .............................................................................................114 11.1. Scurt istoric................................................................................114
11.2. Porelanuri pentru nalt tensiune..............................................116
11.3. Ceramici cu proprieti electrice speciale..................................118
11.4. Feroelectrici ...............................................................................120
11.5. Titanai.......................................................................................122
11.6. Materiale feromagnetice ............................................................124
11.7. Feritele .......................................................................................125
11.8. Materiale feromagnetice pentru magnei permaneni................126
11.9. Mica legat sticlos .....................................................................126
11.10. Elemente electrice de nclzire nemetalice.............................127
11.11. Termistoare.............................................................................128
11.12. Ceramici conductoare de electricitate...................................128
11.13. Materiale ceramice piezoelectrice ..........................................129
11.14. Radioceramici.........................................................................129
11.15. Dielectricii pe baz de alumin ..............................................130
11.16. Refractoare speciale ...............................................................130
12. Semiconductori..................................................................................135 12.1. Mecanica cuantic i funciile orbitale ......................................135
12.2. Starea solid cristalin ...............................................................137
195
-
12.3. Formarea benzilor n solidele cristaline ....................................138
12.4. Elemente semiconductoare ........................................................143
12.5. Combinaii binare semiconductoare ..........................................143
12.6. Alte combinaii semiconductoare ..............................................149
12.7. Aliaje semiconductoare .............................................................150
12.8. Sticle semiconductoare ..............................................................152
12.9. Semiconductori oxidici..............................................................152
12.10. Semiconductori lichizi............................................................154
12.11. Semiconductori organici.........................................................154
12.12. Semiconductori necristalini ....................................................155
13. Materiale Plastice ..............................................................................156 13.1. Polimeri i proprieti ................................................................156
13.2. Structura Polimerilor .................................................................162
13.3. Materiale auxiliare.....................................................................167
14. Stoechiometria reaciilor chimice ....................................................169 14.1. Instrumentele stoechiometriei ...................................................169
14.2. Reacii chimice ..........................................................................170
14.3. Legi de conservare.....................................................................171
14.4. Metoda numerelor de oxidare....................................................172
14.5. Metoda algebric .......................................................................175
14.6. Reguli n stabilirea numerelor de oxidare .................................176
14.7. Metoda ion electron................................................................178
14.8. Aplicaii .....................................................................................180
Referine...................................................................................................181
196
-
Prefa
Lucrarea intitulat Capitole Speciale de Chimie pentru Automatic
se dorete a fi o provocare adresat celor care lucreaz sau studiaz n
domeniul automaticii i calculatoarelor de a exploata resursele oferite de
chimia i fizica materialelor.
Materialul este prezentat ntr-o manier modern, punndu-se accent
pe tratarea sistemic a conceptelor i mijloacelor specifice chimiei i fizicii.
Modelarea i argumentarea matematic a fenomenelor i legilor este
susinut de 70 de ecuaii, 52 de figuri i 35 de tabele. Caracterizarea i
exemplificarea conceptelor este concis clasificat prin 225 de intrri de list.
Se trateaz problemele de interes ale domeniului automaticii din
perspectiva materialelor: caracterizarea sistemelor chimice, a sistemului
periodic al elementelor, a atomului, a strilor gazoas, solid i lichid, se
expun modelele de legturi chimice i, se caracterizeaz materialele de
interes n electrotehnic, electronic, comunicaii, automatic i
calculatoare: metale i aliaje, ceramici, materiale plastice i semiconductori.
Metodele automate de stabilire a coeficienilor reaciilor chimice sunt tratate
comparativ n ultimul capitol.
Un numr de 236 referine bibliografice constituie baza de
documentare a acestei lucrri.
Prin coninutul ei, structurat pe 14 capitole, lucrarea satisface
cerinele unui cititor orientat ctre stabilirea legitilor intime care stau la
baza fenomenelor fizice i chimice.
Autorii doresc s mulumeasc Decanatului Facultii de Automatic
i Calculatoare din Universitatea Tehnic Cluj-Napoca pentru sprijinul
3
-
acordat n activitatea didactic prin antrenarea studenilor seciei de
Automatic la cursurile de Chimie pentru Automatic precum i
Ministerului Educaiei i Cercetrii care prin finanarea contractelor de
cercetare Design Software. Predicia proprietilor mecanice cu ajutorul
descriptorilor matematici, MCT, Tema B25, Gr. 6113, ANTI Tip T, 2000-
2001, director tem Lorentz Jnstchi, 20 mil. lei, Study of Cristals. X-ray
techniques, Tema B52, Gr. 6113, ANTI Tip L, 2000-2001, director tem
Lorentz Jnstchi, 15 mil. lei, Analiza Funcional a Clasei Grafurilor Peste
o Mulime, Tema 2576, Gr. MCT-MEC, ANTI Tip C, 2001-2002, 8 mil.
lei, director tem Lorentz Jntschi, Dezvoltarea de Software pentru
Modelarea Proprietilor Bazat pe Structura Materialelor, Tema 48/1217,
Gr. 34970/2001, CNCSIS Tip A, 2001-2003, 42.4 mil. Lei, director tem
Lorentz Jntschi, a fcut posibil crearea bazei materiale a Laboratorului de
Informatic Aplicat n Chimia i Ingineria Materialelor, suport esenial n
documentarea i redactarea prezentului material.
Sugestiile constructive ale colectivului catedrei de Chimie din
Universitatea Tehnic Cluj-Napoca n ceea ce privete citrile din literatura
de specialitate au fost de un real ajutor pentru alctuirea formei finale a
materialului, acesta mbogindu-i bibliografia cu lucrri ale acestora de
real valoare.
Autorii
4
-
1. Noiuni fundamentale ale chimiei
1.1 Domeniile chimiei
Din punct de vedere conceptual, fizica, chimia i biologia i
domeniile derivate din acestea sunt considerate tiine ale naturii. Logica,
matematica i informatica i domeniile derivate din acestea formeaz
domeniul tiinelor exacte, iar geologia i geografia sunt tiine ale
pmntului. Nu exist delimitri stricte ale nici uneia dintre tiine.
Procesele naturale i artificiale, studiul structurii materiei se face cu
instrumente proprii mai multor tiine fundamentale. Din acest punct de
vedere, fizica i chimia sunt strns legate, astfel nct unii autori consider
analizele ca fiind de apanajul fizico-chimiei, adic acestea se servesc de
instrumente i noiuni proprii att fizicii ct i chimiei.1
Dintre cele trei domenii fundamentale ale tiinelor naturii, chimia se
concentreaz asupra speciilor materiale, unitare i bine definite, numite
substane. Chimia este tiina care se ocup cu studiul atomilor i
combinaiilor acestora, molecule, ioni i cristale. Atomii sunt structuri
complexe formate din particule ca electroni, protoni, neutroni, pozitroni,
mezoni, neurino, etc.
Formal, mai multe domenii acoper cmpul de cunotine al chimiei.
Astfel, la baza studiului sistematic al chimiei stau chimia anorganic i
chimia organic. Unii autori refer aceste dou domenii ca formnd
mpreun chimia descriptiv.2
n cadrul chimiei descriptive se studiaz i se clasific n funcie de
structur i proprieti combinaiile elementelor chimice. Dac chimia
anorganic se ocup de combinaiile tuturor elementelor mai puin cele ale
5
-
carbonului, n schimb chimia organic se ocup de combinaiile foarte
numeroase ale carbonului. Desigur c aceast delimitare este oarecum
forat, la frontiera dintre cele dou aflndu-se chimia organometalic.
Chimia sintetic studiaz metodele prin care procese chimice duc la
obinerea de substane i st la baza industriei chimice (Tabelul 1).
Tabel 1.1. O clasificare a domeniilor chimiei n funcie de structura substanelor de studiu i scopul cercetrii
chimie descriptiv sintetic anorganic anorganic descriptiv anorganic sintetic organic organic descriptiv organic sintetic
Chimia analitic este o ramur a chimiei care se ocup de stabilirea
compoziiei i a structurii substanelor, prin analize calitative (a cror
preocupare este identificarea elementelor sau compuilor chimic care sunt
coninui ntr-o substan) i cantitative (au ca scop determinarea cantitilor
din fiecare element sau combinaie care compun o substan ca pas
premergtor stabilirii structurii sau compoziiei substanei). Tabelul 1.2.
red plasarea domeniului chimiei analitice n funcie de structura
substanelor de studiu.
Tabel 1.2. Chimia analitic i structura substanelor chimie analitic cantitativ analitic calitativ
anorganic anorganic cantitativ anorganic calitativ organic organic cantitativ organic calitativ
O serie de domenii i subdomenii sunt interdisciplinare chimiei.
Biologia, fizica, geologia, informatica i matematica au contribuit la
formarea domeniilor de studiu interdisciplinar ca: biochimie, chimie-fizic,
geochimie, chimie computaional, topologie molecular.
6
-
1.2 Substane Universul se compune din materie. n acest sens atribuit cuvntului
materie, ea poate exista n dou forme:
substanele, care se deplaseaz prin univers cu o vitez mai mic dect
viteza luminii;
energia radiant, care se deplaseaz prin univers cu viteza luminii.
Un corp se poate defini ca un ansamblu de materiale. Ceea ce difer
corpurile de materiale este faptul c materialele pot avea o compoziie
variabil dar nu discontinu, n timp ce corpurile pot avea o compoziie
discontinu i suprafeele de discontinuitate definesc i suprafeele de
separare ntre diferitele materiale ce formeaz corpul. Mai departe,
substanele se definesc printr-o compoziie chimic constant (materiale
omogene). Termenul de materiale (uneori substane) eterogene este folosit
pentru materiale ale cror compoziie este variabil dar nu discontinu sau
pentru amestecuri de substane la care raportul de amestecare variaz.
Pentru amestecurile de substane mai exist dou noiuni frecvent
folosite: cea de aliaj, care definete un amestec de metale n stare solid i
cea de soluie care este folosit pentru amestecuri de substane n stare
solid ct i lichid. Ulterior noiunea de aliaj i-a extins conceptul astfel
nct astzi se numesc aliaje i soluiile solide ale metalelor cu mici cantiti
de carburi metalice i oxizi metalici.
Studiul chimic al unei substane ofer soluii pentru compoziia
substanelor, proprietile lor fizice i chimice i pentru reaciile
substanelor.
O alt informaie necesar n studiul substanelor i amestecurilor de
substane este cea de faz. Conceptul de faz este strns legat de conceptul
7
-
de stare fizic. Astfel, o faz se poate defini ca partea omogen a sistemului
separat de celelalte pri prin frontiere fizice (numite frontiere de faz). O
faz se poate caracteriza ca avnd o aceeai natur a legturilor chimice.
ntr-un sistem cu mai multe faze, termenul de constituent (al
sistemului) este folosit pentru a defini o faz. Acest termen are o
semnificaie diferit de cea de component (al sistemului), care refer o
substan din sistem. Variana unui sistem este dat de numrul de
variabile intensive care pot varia independent fr a perturba numrul de
faze n echilibru.
ntre numrul de faze P, numrul de componeni C i variana unui
sistem F exist relaia:
F = C P + 2 (1.1)
numit legea fazelor i stabilit de Gibbs.
1.3 Distribuia elementelor n natur
Materialele (att omogene ct i eterogene) sunt constituite la rndul
lor din pri i mai mici, numite elemente chimice. Un element chimic se
definete ca cea mai mic parte de substan care poate fi decelat prin
metode fizice i chimice obinuite.
Fac excepie de la metodele fizice i chimice obinuite procesele
nucleare ca fuziunea i fisiunea.
Mai multe elemente chimice (de acelai fel sau diferite) se pot
combina pentru a forma ansambluri de elemente ntre care se stabilesc
legturi chimice. Atunci cnd un ansamblu de elemente nu poate fi decelat
prin metode fizice obinuite, el este o molecul chimic (compus chimic).
8
-
n natur elementele se gsesc ntr-o diversitate de stri chimice: sub
form de combinaii, n stare nativ, sau n stare ionizat i de stri fizice:
solid, lichid, gazoas sau plasmatic.
Planeta noastr, conform studiilor cu unde seismice3 este compus
din urmtoarele pri (figura 1.1):
litosfera exterioar litosfera interioar calcosfera siderosfera
Fig. 1.1. Zone structurale ale pmntului rezultate din analize cu unde seismice
Siderosfera sau magmasfera (2900 6370)km este zona cea mai
profund i este format dintr-o topitur de Fe i Ni, calcosfera (1200
2900)km este zona intermediar i este format din sulfuri i oxizi de metale
grele iar litosfera (0 1200)km este zona exterioar care este la rndul ei
format din dou pturi: ptura inferioar (120 1200)km care este
compus din silicai bogai n Mg i ptura exterioar (0 120)km care este
de fapt i scoara terestr i care este alctuit din compui oxigenai,
silicai, aluminosilicai, etc.
Cea mai accesibil zon pentru om a planetei este evident scoara
terestr. S-au fcut diferite determinri ale compoziiei acesteia. Aceste
determinri ne arat c dup oxigen (49%) i siliciu (26%), ca abunden n
scoar urmeaz Al 8.8%; Fe 5.1%; Ca 3.6%; Na 2.84%; K 2.60%; Mg
2.1%; Ti 0.6%. Restul elementelor sunt rspndite n proporie de 0.52%.
Elementele cu numr atomic mai mare dect al Ni sunt rare. Cel mai
frecvent, elementele chimice se gsesc rspndite n scoara terestr sub
form de minerale (combinaii chimice n stare solid). Atunci cnd un
9
-
mineral se gsete rspndit n cantiti mari astfel nct s poat fi
exploatat, acesta se numete minereu.
Atmosfera este zona gazoas care nconjur pmntul i formeaz
mpreun cu acesta ecosistemul Terrei.
Compoziia chimic a atmosferei este relativ constant pn la 57
km de la suprafaa pmntului. Determinri ale compoziiei chimice a
atmosferei au artat c n procente volumice aceasta conine 78% N2,
20.95% O2, 0.93% Ar, 0.03% CO2, i n cantiti mai mici ali compui
chimici.
ionosfera termosfera mezosfera troposfera pmntul
Fig. 1.2. Zone structurale ale atmosferei pmntului
Regiunea inferioar (figura 1.2.) se numete troposfer (0 10)km i
n ea se petrec fenomenele meteorologice. Urmeaz stratosfera (10 60)km,
n care temperatura crete pe vertical. n mezosfer temperatura scade din
nou, iar n regiunea superioar a atmosferei, n termosfer (la peste 100 km),
temperatura crete din nou datorit disocierii i recombinrii atomilor, prin
absorbie de energie luminoas.4 n ionosfer, la nlimi foarte mari, au loc
fotoionizri, datorit radiaiilor X i ultraviolete, emise de soare. Studii de
mecanism de reacie au artat c reaciile ce au loc n ionosfer sunt de tipul:
O2hO2 +
M + O + O2 (proces exoterm) *3 MO +
10
-
OOhO 23 ++
(1.2) 23 O2OO +
unde M este molecula stabil iar M* este molecula activat.
Abundena elementelor n univers nu depete 1% pe element i
descrete cu numrul atomic. Luna conine roci la suprafaa sa similare cu
cele de pe Pmnt (silicai). Mercurul nu poate reine gazele n atmosfer,
fiind un corp ceresc fr atmosfer. Venusul are densitatea aproximativ
aceeai cu a Pmntului i este format din CO2 i gaze sulfuroase. n
atmosfera Soarelui exist: hidrogen, heliu, carbon, azot, oxigen n cantiti
mai mari i sodiu, potasiu, magneziu, calciu, aluminiu, siliciu, sulf, seleniu,
elemente 3d (Ti Zn).
La temperaturi de zeci de mii de grade, toate elementele sunt sub
form de ioni; la mii de grade sunt form de atomi liberi; pe Pmnt, starea
normal a elementelor este cea de combinaie chimic. Sub form atomic
exist numai gazele rare. Corespunztor structurilor nveliurilor
electronice, elementele se clasific n: heliu, hidrogen, elemente s i p,
elemente d i f.
Dac o substan conine un acelai tip de elemente atunci se
numete substan simpl.
Substanele simple reprezint de fapt starea natural n care pot
exista elementele la o anumit temperatur.
Din punct de vedere structural, elementele pot exista n urmtoarele
forme n substane simple:
n form monoelemental (cazul gazelor monoatomice);
11
-
n form molecular (ansamblu molecule formate dintr-un numr finit i
mic de elemente de acelai fel);
n form reticular (ansamblu n stare solid format dintr-un numr
mare de elemente de acelai fel);
Alotropia este un fenomen caracteristic substanelor simple prin care
un element poate exista n diferite forme cristaline (alotropie de form) sau
n diferite forme (structuri) moleculare (alotropie de poziie). Toate
elementele cu structuri poliatomice au forme alotrope, n afar de Si, Ge, Bi
i Te care sunt monotrope. Dintre cele cu molecule biatomice doar oxigenul
exist ca O2 i O3. Alotropia este determinat de tipul legturilor chimice i
structurilor moleculare i cristaline pe care le pot realiza atomii unui
element.
Legturile n cadrul formelor alotropice se realizeaz fie prin orbitali
atomici puri, fie prin orbitali hibrizi.
Cteva exemple de forme alotropice ar fi:
Sn apare sub dou forme: cubic i reea compact asemntoare cu
reelele metalice la care se pun n comun doar electroni din substratul p
nu i din orbitalul s;
S se prezint n stare solid i lichid sub form de molecule octaatomice
(S8) iar peste 400 0C n stare de gaz moleculele vor avea structura S2
similar n structur cu O din aceeai grup;
O prezint dou forme alotropice O2 i O3 al cror echilibru a fost
discutat la prezentarea ionosferei (ecuaia 1.1);
P n stare nativ are o molecul cu 4 atomi, P4 care trece la 800 0C n P2
care are aceeai structur i proprieti cu molecula de azot, N2;
12
-
La B forme alotropice apar numai peste 1000 0C, structurile cristaline
fiind complicate.
O prim clasificare a elementelor chimice se poate face n metale,
nemetale i elemente inerte (gaze rare):
Metalele au structuri cristaline i formeaz cu precdere legturi
covalente metalice, numite comun legturi metalice;
Nemetalele formeaz cu precdere legturi covalente. Conform regulii
octetului de electroni, structurile nemetalelor deriv din cele 8 N (N =
numrul grupei) covalene pe care atomii lor le pot forma ntre ei. Forma
de existen a acestor elemente este de:
o molecule biatomice, la elementele grupei a 17-a, azot i oxigen; o inele sau macromolecule liniare, n care fiecare atom este legat prin
covalene de doi atomi vecini, la elementele grupei a 16-a;
o molecule tetraatomice sau reele din dou straturi duble de atomi, n care fiecare atom este legat covalent de ali trei, la elementele grupei
a 15 a;
o reele tridimensionale, la elementele grupei a 14 a. Gazele rare se prezint aproape totdeauna sub form monoatomic,
deoarece stratul exterior este complet ocupat cu electroni i pot forma
foarte greu legturi chimice.
1.4 Combinaii chimice
Teoretic, toate elementele se pot combina ntre ele potrivit legilor
combinrii chimice. Exist aproximativ 500000 de combinaii chimice
descoperite.5 Cele mai frecvente combinaii chimice sunt:
Combinaii binare
13
-
hidrurile combinaii ale elementelor cu hidrogenul. Exemple: LiH care
este o hidrur ionic; HCl care este o hidrur covalent;
halogenurile combinaii ale elementelor cu halogenii. He, Ne, Ar nu
formeaz halogenuri. Ele sunt covalente sau ionice;
oxizii compui ai elementelor cu oxigenul care sunt compui ionici sau
covaleni.
sulfurile, arseniurile, siliciuri combinaii frecvent ntlnite n reaciile
chimice i n natur;
Combinaii complexe (coordinative)
Combinaiile complexe sau coordinative rezult din combinarea
moleculelor sau ionilor cu alte molecule sau ioni.6 Un complex are un atom
sau ion central, n jurul cruia se coordineaz mai multe molecule neutre
sau ioni de semn contrar, denumii liganzi. Atomul central este de obicei
acceptor de electroni iar liganzii, donori de electroni. Numrul de liganzi din
jurul unui atom este denumit numr de coordinare (N.C.).
El are valoarea 2 9 n compleci, uzual 4 n complecii tetraedrici i 6 n
cei octaedrici. n cristalele complexe, N.C. este maximum 14. Numrul de
liganzi depinde de numrul de orbitali disponibili ai atomului central, de
gradul lor de ocupare cu electroni, de natura legturii chimice atom ligand
i de factori sterici.
Compuii intermetalici
Dup intensitatea interaciunilor metal metal i metal nemetal,
metalele sunt clasificate astfel:
o metale care nu interacioneaz n faz lichid i solid; o metale miscibile n stare lichid i care formeaz eutectice n stare
solid (exemplu: 1.4% Ag + 40% Cd + 13.3% Sn);
14
-
o metale care formeaz soluii solide n faz lichid i solid, n orice proporie (exemple: Au (s1) i Ag (s1));
o metale care formeaz compui intermetalici. Compuii intermetalici au structuri cristaline complicate i
proprieti diferite de cele ale metalelor iniiale. Ei au conductibiliti
termice inferioare i rezistene mecanice i puncte de topire superioare celor
ale metalelor iniiale (tabelul 1.3).
Exemplu:
Tabel 1.3. Valori comparative ale punctelor de topire i conductibilitilor electrice n substane simple i n amestec
Substana Mg -Sn Mg2Sn Puncte de topire(0C) 650 231.8 795 Conductibilitate electric 20.4 7.2 0.1
Aceste date indic legturi interatomice mixte (metalice, covalente i
ionice).
n general compuii intermetalici cu legturi predominant metalice i
ionic-covalente nu sunt compui stoechiometrici i se numesc compui
bertolidici (exemplu: TiO, compoziia lui variind ntre TiO0.7 la TiO1.3).
Compuii stoechiometrici (H2O, CO2, etc.) se numesc compui daltonici.
1.5 Formule chimice
Compoziia chimic a substanelor se red prin formule care se
clasific n felul urmtor7:
Formulele brute exprim compoziia substanei prin numrul de atomi
din fiecare element n raport cu unul dintre elemente. Astfel, cunoscnd
masele atomice ale elementelor, se poate uor calcula numrul de atomi
din fiecare element, n raport cu unul dintre elemente. Se mparte
coninutul procentual din fiecare element la masa atomic a elementului;
15
-
raporturile obinute se mpart la cel mai mic dintre ele. Exemple de
formule brute: P2O5, CH, CH2, Cl2PN.
Ex. 1.1. S se calculeze formula brut a clorurii de calciu (anhidre) tiind c
substana conine 36.1% Ca i 63.9% Cl.
Rezolvare: Ca 36.1% Cl 63.9%
36.1/40.08 = 0.90 63.9/35.453 = 1.80
0.9/0.9 = 1 1.8/0.9 = 2
Din calculele de mai sus rezult c formula brut a clorurii de calciu este
Ca1Cl2 sau CaCl2. Aceast formul are urmtoarea semnificaie: n clorura
de calciu raportul dintre numrul de atomi de calciu i numrul de atomi de
clor este 1:2.
Formulele moleculare redau numrul de atomi ai fiecrui element
cuprini ntr-o molecul, atunci cnd se cunoate masa molecular a
substanei. Pentru a stabili formula molecular se determin
experimental formula brut i masa molecular, M a substanei. Se poate
ca formula brut s coincid cu formula molecular sau poate fi multiplu
ntreg al acesteia. Exemple de formule moleculare: P4O10, C2H2, C6H6,
Cl6P3N3.
Formulele raionale exprim grupele structurale din molecul (mai ales
la compuii organici).
Ex. 1.2. n cte formule raionale poate fi prezentat molecula C3H8O?
Rezolvare: Molecula poate fi reprezentat n trei formule raionale:
CH3 CH2 CH2 OH ( 1-propanol)
H3C CH CH3OH
(2 propanol)
CH3 O CH2 - CH3 (metil etil eter)
16
-
Formulele structurale redau structura moleculelor.
Exemple:
C CH
H
H
H Eten
C CC
CCCH H
HH
H H Benzen
1.6 Cantitatea de substan
Compoziia chimic a unui sistem multicomponent este exprimat n
mai multe moduri. Parametrul de compoziie se d de obicei n fracii
molare, molariti, molaliti sau concentraii procentuale.
Molul reprezint cantitatea de substan care conine attea specii
(atomi, molecule, ioni, uniti de formule, electroni sau alte entiti
specificate) ci atomi exist n 12 g din izotopul 12C adic NA 6.0231023
electroni/mol, NA fiind numrul lui Avogadro.8 Numrul de moli, notat cu n,
este dat de relaia n = N/NA i reprezint cantitatea de substan ce conine N
entiti specificate.
Proprietile sunt clasificate n extensive (depind de dimensiunea
probei; exemple: masa i volumul) i intensive (independente de
dimensiunea probei; exemple: temperatura, densitatea, presiunea).
Proprietile molare sunt mrimi intensive i se calculeaz pe baza
proprietilor extensive cu formula:
Xm = X/n (1.3)
unde X este o proprietate extensiv iar n este numrul de moli din prob i
Xm este proprietatea molar (exemplu: Vm, volumul molar) asociat
proprietii extensive X.
17
-
Urmtoarele mrimi sunt exemple de mrimi molare (deci
intensive):
Masa molar M este masa probei mprit la cantitatea de substan
coninut:
M = m/n, [M] = gmol-1 (1.4)
Concentraia molar sau molaritatea cm unui solvat reprezint
numrul de moli de substan dizolvat ntr-un litru de soluie:
cm = n/Vs, [cm] = moll-1 = M (1.5)
Concentraia molal sau molalitatea mm este numrul de moli de
substan dizolvat raportat la masa de solvent folosit pentru a prepara
soluia:
mm = n/ms, [mm] = molkg-1 (1.6)
Observaie: concentraia molar variaz cu temperatura, deoarece volumul
variaz cu temperatura; molalitatea este o mrime independent de
temperatur.
Se numete o soluie diluat, o soluie ce conine cel mult 10-2 moll-1 de
solvat.
Observaie: n soluiile diluate ionii de solvat sunt separai de cel puin 10
molecule de solvent.
Fie un amestec cu J componeni. Urmtoarele mrimi sunt exemple
de mrimi extensive:
Concentraia procentual de mas cP(mj) reprezint numrul de
uniti (g, kg) din substana j considerat, coninut n 100 de uniti (100g,
100kg) din amestec:
100m
m)m(
jj
jjp =c [%] (1.7)
18
-
unde: m = jmj masa amestecului;
mj este masa componentului j.
Concentraia procentual de volum cP(Vj) indic ce volum de
substan pur se afl n 100 ml (100 cm3) de amestec:
100V
V)V(
jj
jjp =c [%] (1.8)
unde: V = jVj volumul amestecului;
Vj este volumul componentului j.
Alte mrimi frecvent utilizate pentru amestecuri sunt:
Fracia molar9 xj a componentului j din amestecul cu J
componeni:
xj =jjn
n
j (1.9)
Proprieti: 1) jxj = 1; pentru un amestec binar, x1 + x2 = 1;
2) 0 < xj < 1; xj = 0 componentul j nu exist n amestec;
3) xj = 1 componentul j este n stare pur;
Ex.1.3. S se demonstreze c fracia molar este o mrime intensiv.
Rezolvare: fie un amestec P cu compoziia exprimat prin raportul
numrului de molecule din fiecare component j n amestec pentru:
1:2::J (1.10)
(cum ar fi pentru C2O4H2, 1:2:3 = 2:4:2 = 1:2:1 = ...) i numrul de moli
n. Din cele N = nNA molecule ale amestecului, pentru a respecta proporia
(1.10), numrul de molecule din componentul j este Nj = Nj/jj. Fracia
molar a amestecului cu compoziia dat de proporia (1.8) este:
19
-
xj =jjn
n
j =jj
j
jjjj
jjj
jj
j
A
jj
A
j
/N/N
NN
NN
NN
=
=
=
(1.11)
Expresia rezultat (1.11) nu depinde dect de compoziia dat de
proporia (1.10) i nu depinde de numrul de moli sau molecule implicate
aa c este o mrime intensiv.
Densitatea a amestecului cu J componeni:
= jj
jj
Vm
(1.12)
Ex.1.4. S se demonstreze c densitatea este o mrime intensiv.10
Rezolvare: se pleac de la formula de definiie a densitii, n care se
expliciteaz masele:
= m
jjj
jj
jjj
jj
jjj
jj
jjj
VMx
n/VMx
VMxn
VMn
=
=
=
(1.13)
Formula (1.13) este o expresie n care intervin numai mrimi
intensive (xj, Mj i Vm) i atunci definete o mrime intensiv.
20
-
2. Reprezentri i clasificri
2.1 Conceptul de sistem chimic
Observaiile acumulate cu privire la natur i societate conduc cu
necesitate, la o serie de concluzi de maxim generalitate. Una dintre acestea
este organizarea sistemic a lumii.
Att n natur ct i n societate relaiile dintre anumite obiecte,
procese, pri, determin organizarea acestora n sisteme. Vom denumi
sistem un ansamblu de elemente (obiecte, fiine, particule, procese, legi,
concepte, simboluri) ntre care se pot stabilii relaii specifice, ce confer
ntregului ansamblu anumite caracteristici proprii (o anumit
individualitate).
Exemple:
1. Relaiile care se stabilesc n organismul unui mamifer, ntre prile
sale componente sunt diferite de relaiile organism mediu; acestea asigur
organismului nsuiri specifice (individualitate).
2. Relaiile existente n cadrul unei ntreprinderi (ntre oameni, ntre
oameni i maini, relaiile ntre secii sau ntre liniile tehnologice) diferite de
relaiile ntreprindere societate, asigur individualitatea relativ a
ntreprinderii; aceasta poate fi considerat ca fiind un sistem.
Se poate observa c nsuirile unui sistem nu se reduc la suma
nsuirilor elementelor componente ale sistemului. Dac se consider un
ceas ca fiind un sistem format dintr-un ansamblu de piese, aceast mulime
de piese nu va avea proprietatea de a msura timpul, dect atunci cnd ele
vor fi legate ntr-un mod strict determinat. Aadar, alctuirea ansamblului
21
-
duce la apariia de noi nsuiri. n multe cazuri, elementele unui sistem pot
fi la rndul lor sisteme intr-un nivel de organizare inferior.11
Exemplu: reprezentarea grafic a unui sistem chimic i mediul nconjurtor
(molecula de ap) (figura 2.1):
OHH
Fig. 2.1. Reprezentarea grafic a moleculei de ap sub form de graf, prin formula structural i prin proiecie plan
n mod curent totalitatea legturilor, dependenelor reciproce i
interaciunilor ntre obiecte i fenomene sunt incluse n conceptul de relaie.
Prin interacie nelegem un caz particular al relaiei, caracterizat de
aceea c ntre dou corpuri A i B se stabilesc sau exist fore de legtur.
Conceptul de relaie are un sens mult mai larg i cuprinde, de
exemplu, i relaiile spaiale ntre cele dou corpuri (de ex., corpul A se afl
situat la 1 cm de corpul B).
Atunci cnd conceptul de relaie se refer la fenomene, acesta
descrie dependenele cauzale dintre ele sau relaiile temporale.
Relativ la sistemele chimice, pe baza numeroaselor exemple, s-au
impus n chimie urmtoarele principii:
P1. Principiul interaciei. Stabilitatea sistemelor chimice, ct i
capacitatea acestora de a se transforma se datoreaz interaciunilor ntre
elementele componente, respectiv ntre sistemul chimic considerat i alte
sisteme (inclusiv mediul nconjurtor).
P2. Principiul minimei energii. Orice sistem chimic este stabil dac
se afl ntr-o stare de energie minim; un sistem scos din starea sa stabil
22
-
tinde ca, n condiiile date, prin interaciunile cu sistemele din vecintatea
sa, s evolueze spre o stare de energie minim (identic sau diferit de starea
iniial).
Exemplu: reprezentarea energiei de interacie pentru molecula ion de
hidrogen, H2+ este redat n figura 2.2.
E
rr0
E
Emin
Fig. 2.2. Energia de interacie n molecula ion de hidrogen, H2+
2.2 Sistemul periodic al elementelor
Pasul cel mai important n clasificarea elementelor chimice a fost
fcut de chimistul rus Dimitri I. Mendeleev, prin elaborarea sistemului su
periodic, prezentat n 1869. Ulterior, diferii autori au propus modele
mbuntite de reprezentare i clasificare a elementelor.12 n fig. 2.3 se
prezint o versiune modificat a sistemului periodic n spiral, poate cea mai
aproape de realitate reprezentare i clasificare a elementelor:
23
-
Fig.
2.3
. Dis
pune
rea
n sp
iral
a el
emen
telo
r, a
a cu
m re
zult
din
crete
rea
numr
ului
ato
mic
Z
24
-
n comparaie cu ali chimiti, care nu acordau o importan
deosebit legturii ntre masa atomic i valen, Mendeleev considera c
masa atomic este proprietatea de baz care determin i celelalte nsuiri
ale elementelor. Urmnd acest principiu, el a aranjat elementele chimice n
ordinea crescnd a maselor atomice, pe mai multe niveluri unul lng altul,
avnd grij totodat ca elementele ce posed proprieti chimice
asemntoare s se afle ntotdeauna unul sub altul.13
Aa cum a fost conceput iniial tabelul, elementele chimice erau
aranjate pe 19 coloane. n 1871, Mendeleev a revizuit acest tabel, reducnd
numrul coloanelor la 8 prin regruparea elementelor din perioadele lungi pe
dou rnduri de cte 7 elemente i introducerea coloanei a 8-a, care cuprinde
3 elemente pe un rnd.14 n acelai an, lucrnd independent, chimistul
german Lothar Meyer propune o clasificare similar.
Cercetrile efectuate de Moosley15 au demonstrat c proprietile
elementelor chimice sunt funcii periodice ale numrului atomic Z (i nu ale
masei atomice M, aa cum a crezut Mendeleev).
Atomul este alctuit dintr-un nucleu (unde se afl concentrat
aproape ntreaga mas a atomului) i un nveli electronic. Nucleul are
dimensiuni extrem de mici ns comparativ cu distanele de la nucleu la
electroni. De exemplu, dac s-ar reui comprimarea atomilor pn la
dimensiunea nucleului, atunci 1m3 de platin (care cntrete 21500 kg) ar
ocupa un spaiu de 1mm3.
Electronii sunt cele mai mici particule elementare ncrcate cu
sarcin electric negativ, a cror sarcin electric este deci cuantificat 1e-
= -1.610-19C care se rotesc pe orbite n jurul nucleului cu viteze foarte mari
(comparabile cu viteza luminii n vid, c = 3109 ms-1). Nucleul atomului se
25
-
compune din dou categorii de particule elementare cu masa atomic
relativ 1: protonii (ncrcai cu energie electric pozitiv 1.610-19C) i
neutronii (neutrii electric).
Masa atomic relativ, conform S.I. este 1/12 parte din masa
atomic a izotopului 12C, standard ales datorit stabilitii acestui nucleu
(12C, alturi de 40Ca este unul dintre cele mai stabile nuclee)16, abundenei
mari acestui izotop n natur i reactivitii chimice sczute.
nveliul electronic, dup cel mai recent model, cel mecanic-cuantic,
are o structur stratificat, electronii i orbitele fiind caracterizate din punct
de vedere energetic prin aa-numitele numere cuantice: numrul cuantic
principal (n), numrul cuantic secundar (l), numrul cuantic magnetic (m),
i n plus, caracteristic electronilor din orbite mai este i numrul cuantic de
spin (s).
Numrul cuantic principal n este o msur pentru energia i raza
orbitei circulare pe care graviteaz electronul.17 El ia valorile ntregi 1, 2, 3,
4, 5, ... iar orbitele se noteaz cu literele K, L, M, N, O, .... Electronii care au
acelai numr cuantic principal, adic se gsesc la aceeai distan medie de
nucleu, formeaz un strat electronic. Se poate demonstra c fiecare strat
conine n2 orbite (tem!).
Electronii din acelai strat se disting prin numere cuantice secundare
l i este o msur pentru subnivelul energetic i semiaxa mic a orbitei i ia
valori ntre 0 i l-1. Toate orbitele pentru care l = 0 sunt circulare, celelalte
sunt orbite eliptice. Toate orbitele cu acelai n i l diferit formeaz
substraturile electronice ale stratului n. Fiecare substrat (n i l acelai) este
format din 2l+1 orbite caracterizate de numrul cuantic magnetic m, care
este o msur pentru orientarea planurilor orbitale.
26
-
18
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
...
17
F Cl
Br
I At
...
16
O
S Se
Te
Po
...
15
N
P As
Sb
Bi
...
14
C
Si
Ge
Sn
Pb
...
13
B
Al
Ga
In
Tl
...
Hf
Ku
12
Zn
Cd
Hg
...
Sm
Tm
Pu
Md
11
Cu
Ag
Au
...
Pm
Er
Np
Fm
10
Ni
Pd
Pt
...
Nd
Ho
U
Es
9 Co
Rh
Ir
...
Pr
Dy
Pa
Cf
8 Fe
Ru
Os
...
Ce
Tb
Th
Bk
7 Mn
Tc
Re
...
La
Gd
Lu
Ac
Cm
Lw
6 Cr
Mo
W
...
Eu
Yb
Am
No
5 V
Nb
Ta
...
4 Ti
Zr
Hf
Ku
3 Sc
Y
La
Ac
Lant
anid
e
Act
inid
e
2 Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
Tab
el 2
.1. T
abel
ul p
erio
dic
al e
lem
ente
lor
1
H
Li
Na
K
Rb
Cs
Fr
Tab
el 2
.2. L
anta
nide
le i
act
inid
ele
siste
mul
ui p
erio
dic
al e
lem
ente
lor
27
-
Dac m reprezint proiecia momentului magnetic pe direcia
cmpului magnetic al nucleului, numrul cuantic de spin s precizeaz sensul
de rotaie al electronului pe orbit.
Pe baza considerentelor menionate i a tabelului periodic al
elementelor (versiunea tabelat, tabelul 2.1), pentru fiecare element se poate
determina numrul de particule elementare (protoni, neutroni, electroni) i
structura sa atomic. De exemplu, pentru Pb (Z = 82) structura electronic
se prezint astfel:18,19,20,21
Pb (Z = 82): 1s2 (K);
2s2, 2p6 (L);
3s2, 3p6, 3d10 (M);
4s2, 4p6, 4d10, 4f14 (N);
5s2, 5p6, 5d10 (O);
6s2, 6p2 (P); (2.1)
Completarea substraturilor 6s i 6p naintea substraturilor 5f se
explic prin nivelul energetic mai mare al acestora comparativ cu nivelul
energetic al substraturilor 5f.
ntre La (Z = 57) i Hf (Z = 72) se completeaz orbitalele 4f;
gruparea elementelor (numite lantanide) innd seama de proprieti este
redat n tabelul 2.2. De asemenea, ntre Ac (Z = 89) i Ku (Z = 104) se
completeaz orbitalele 5f, i gruparea elementelor (numite actinide) innd
seama de proprieti este redat n acelai tabel 2.1.
Dup cum se poate observa, n sistemul periodic metalele formeaz
majoritatea, i sunt n numr de 65. Un numr de 18 elemente sunt
considerate nemetale. ntre nemetale i metale se afl o categorie
intermediar de semimetale, din care fac parte 9 elemente.22
28
-
n funcie de fora de atracie pe care o exercit nucleul asupra
electronilor si, elementele chimice se pot diviza n elemente
electronegative (nemetalele) care manifest tendina de a capta electroni de
la ali atomi, i elemente electropozitive (metalele) care cedeaz relativ uor
electroni de pe ultimul strat formnd ioni pozitivi.
Dac ordonm cele mai uzuale metale n ordinea uurinei cu care
cedeaz primul electron pentru a forma ioni ncrcai cu o sarcin pozitiv,
obinem seria descresctoare () a activitii chimice a metalelor n care
apariia hidrogenului este ca referin:
Li, Ca, K, Ba, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Co, Ni,
Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt (2.2)
Dac ordonm cele mai uzuale nemetale n ordinea tendinei de a
accepta primul electron pentru a forma ioni ncrcai cu o sarcin negativ,
obinem seria electronegativitii n care fluorul este referin cu
electronegativitatea convenional 4.0:
4.0: F; 3.5: O; 3.0: N, Cl; 2.8: Br;
2.5: C, S, I; 2.4: Se; 2.1: P, Te, H; (2.3)
Sunt ns i metale cu electronegativitate surprinztor de mare, cum
sunt:
2.4: Au; 2.2: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, At; (2.4)
ceea ce face ca aceste elemente s aib o stabilitate mai ridicat la agenii
oxidani.
n funcie de electronegativitate se stabilete i caracterul ionic sau
covalent al combinaiilor; astfel, se spune c o combinaie de dou elemente
este ionic atunci cnd un electron al unuia din elemente prsete orbita
atomului pentru a trece s orbiteze ntr-un orbital al celuilalt atom; n
29
-
aceeai ordine de idei, o combinaie este covalent cnd legtura se
formeaz exclusiv prin deformarea orbitelor electronice i formarea unei
orbite de legtur n care vor gravita 2 electroni cu spin opus, fiecare al cte
unui atom originar. n realitate ns nu exist combinaii 100% ionice sau
100% covalente.
n tabelul 2.3 este redat, n funcie de diferena de electronegativitate
a elementelor, procentul de caracter ionic al legturii:
Tabel 2.3. Relaia ntre electronegativitate (X) i procentul de caracter ionic la legtura A-B
XA-XB %
ionic XA-XB %
ionic XA-XB %
ionic XA-XB %
ionic 0.2 1 1.0 22 1.8 55 2.6 82 0.4 4 1.2 30 2.0 63 2.8 86 0.6 9 1.4 39 2.2 70 3.0 89 0.8 15 1.6 47 2.4 76 3.2 92
Ex. S se stabileasc procentul de caracter ionic al urmtoarelor combinaii:
NaCl, HF, CaO, MgS, LiF, KI, AlP, CO, NO.
2.3 Cuantica funciilor orbitale
Cuantica funciilor orbitale nlocuiete conceptul clasic de traiectorie
a electronului cu cel de funcie de und, care definete poziia n spaiu ca
amplitudine a unei unde.
Funciile de und ce descriu micrile orbitale au urmtoarele
caracteristici:
sunt funcii matematice care pot avea valori mari ntr-o regiune din
spaiu, valori mici n alt regiune i 0 n restul spaiului;
conin toate informaiile ce se pot obine referitoare la poziia i
micarea particulelor pe care le descriu;
30
-
dac valoarea funciei de und este mare ntr-un punct, atunci exist o
probabilitate mare ca particula s se afle n acel punct, iar dac funcia
de und are valoarea 0 atunci particula nu va fi gsit acolo;
cu ct funcia de und variaz mai rapid de la un loc la altul, cu att este
mai mare energia cinetic a particulei pe care o descrie.
Cuantificarea nivelurilor energetice ce corespund orbitelor pe care
evolueaz electronii este unul din cele mai importante rezultate ale
mecanicii cuantice. n baza modelului cuantic al atomului completarea cu
electroni a orbitelor electronice respect urmtoarele numere cuantice:
numrul cuantic principal n, ia valorile 1, 2, 3, 4, 5, ... i valori diferite
ale lui n corespund diferitelor straturi electronice din atom;
numrul cuantic secundar l, ia valorile 0, 1, 2, 3, 4, ..., n-1 i valori
diferite ale lui l corespund momentelor unghiulare orbitale diferite, deci
formei orbitelor electronice (s, p, d, f);
numrul cuantic magnetic m, ia valorile l, l-1, ..., 0, ..., -l+1, -l i valori
diferite ale lui l corespund orientrilor diferite ale axelor de simetrie
orbital (x, y, z, x2-y2, z2, xy, xz, yz, ...);
numrul cuantic de spin s, ia valorile - i + i corespunde sensului de
micare a electronilor n orbite.
Completarea cu electroni a orbitelor se face cu respectarea a 2 principii:
(Pauli) 2 electroni pot ocupa aceeai orbit numai dac au spinii opui
(2.5)
i
(Hundt) La completarea orbitelor cu energie egal cu electroni se ine seama c cuplajul de spin necesit energie suplimentar
(2.6)
31
-
3. Clasificarea sistematic a elementelor
3.1 Criteriile clasificrii elementelor
n secolul al XIX au fost fcute mai multe ncercri de clasificare a
elementelor, care se cunoteau deja n numr foarte mare. Criteriile au fost:
comportarea fa de oxigen (Thenard, Berzelius), fa de hidrogen (Dumas),
electronegativitatea i multe altele.
Legea periodicitii a fost enunat de Mendeleev (1869), astfel:
Proprietile elementelor sunt funcie periodic de masa atomic A. Azi,
n locul maselor atomice, se utilizeaz un criteriu mai sigur, numrul atomic
Z. Sistemul periodic este reprezentarea acestei legi (tabelul 2.1).23, 24
Elementele au dou feluri de proprieti:
Proprieti neperiodice, cum sunt numrul atomic Z, masa atomic A, pe
baza crora elementele se pot aeza ntr-un ir cresctor;
Proprieti periodice, cum sunt proprietile chimice (starea de oxidare,
potenialul de electrod), unele proprieti fizice (spectre, energii de
ionizare, etc. i unele proprieti geometrice: raze atomice i ionice,
volume atomice i ionice, densitatea, temperatura de topire i fierbere,
etc.) care permit gruparea pe vertical a elementelor asemntoare.
3.2 Clasificarea periodic a elementelor
Scriind elementele ntr-un ir orizontal, n ordinea cresctoare a
numerelor atomice, pe care-l ntrerupem la primul element cu proprieti
analoge cu ale celui din capul irului precedent i relund operaia, scriind
elementele unele sub altele, se constat c se obin apte iruri orizontale,
denumite perioade. Coloanele verticale se numesc grupe de elemente.
32
-
Exist 18 grupe i 7 perioade. Tabelul astfel obinut constituie sistemul
periodic al elementelor.25 n tabelul 4.1 exist i cteva inversiuni de mase
atomice la perechile de elemente: Co (Z = 27 i A = 58.9) i Ni (Z = 28 i A
= 58.7); Ar (Z = 18 i A = 39.9) i K (Z = 19 i A = 39.1) i Te (Z = 52 i A
= 127.6) i I (Z = 53 i A = 126.9), explicabile prin preponderena izotopilor
mai grei n primele elemente.
3.3 Structura sistemului periodic
Grupa constituie o serie de elemente cu numr identic de electroni
aflai pe ultimul strat. Perioada constituie o serie de elemente cu numr
identic de straturi electronice.
Hidrogenul i heliul alctuiesc perioada 1. Hidrogenul este trecut ca
fiind primul element n grupa 1-a sau a 17-a, fie alturi de heliu, la mijlocul
tabelului, n partea superioar. Heliul, de regul, este trecut primul n grupa
gazelor rare sau inerte, numerotat grupa 18-a.
Elementele s i p alctuiesc grupele 1, 2, 13 18, iar elementele d i
f alctuiesc grupele 3- 12. Dintre elementele d i f distingem: 30 de elemente
tranziionale, n perioadele 4, 5 i 6; lantanidele i actinidele apar n dou
familii de cte 14 elemente (a ceriului i a thoriului), n perioadele 6 i 7.
Plasarea elementelor s i p n grupe este determinat de numrul de
electroni din ultimul strat. De exemplu: P (Z = 15, 1s22s22p63s23p3) are 5
electroni pe ultimul strat, rezult c aparine grupei a 15-a, fiind un element
de tip p; Na (Z = 11, 1s22s22p63s1) are 1 electron pe ultimul strat, rezult c
aparine grupei a 1-a, fiind un element de tip s.
Plasarea elementelor d n grupe este determinat de suma numrului
de electroni s de valen din ultimul strat i a electronilor d din penultimul
strat. De exemplu: Sc (Z = 21, 1s22s22p63s23p64s23d1) are 2 + 1 = 3 electroni
33
-
i aparine grupei a 3-a.; Fe (Z = 26, 1s22s22p63s23p64s23d6) are 2 + 6 = 8
electroni i aparine grupei a 8-a.
n tabelul 3.1 este redat o mprire mai aparte a sistemului
periodic, n patru grupuri: A, B, C, i D, n funcie de caracterul dominant al
fiecrui element n parte.
n timp ce elementele grupate n grupa A au un caracter predominant
metalic, formnd reele metalice, elementele din grupa D sunt nemetale,
gaze, formnd molecule monoatomice. Elementele grupei D au structur
electronic ns2np6 de unde rezult c moleculele lor sunt monoatomice.
Spre deosebire de acestea, elementele din grupul A au n principal,
cu excepia borului, structuri metalice. Al, Ga, In, Tl nu formeaz ntre ele
legturi covalente. Colectivizarea electronilor din stratul de valen d
natere unei forme speciale de legtur multiatomic, legtura metalic.
Elementele din grupa C sunt gaze (I, Br, At) iar elementele din B
sunt substane solide care prezint structuri variate, uneori forme alotropice.
n cadrul grupei C, halogenii formeaz molecule diatomice cu o
legtur . Elementele azot i oxigen, spre deosebire de precedentele
formeaz legturi multiple.
Elementele din grupurile B i C cu excepia borului, azotului i
oxigenului din perioada a 2-a, au structuri moleculare sau cristaline n care
fiecare atom formeaz 8 - n legturi covalente cu atomi de aceeai specie.
Astfel elementele din grupa a 17-a care au un electron nemperecheat (sunt
monocovalente) formeaz ntre ele 8 - 7 = 1 legtur astfel nct
moleculele lor apar diatomice. Starea de agregare se coreleaz cu scderea
covalenei.26
34
-
18
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
... D
17
F Cl
Br
I At
... C
16
O
S Se
Te
Po
...
15
N
P As
Sb
Bi
...
B
14
C
Si
Ge
Sn
Pb
...
13
B
Al
Ga
In
Tl
...
12
Zn
Cd
Hg
...
11
Cu
Ag
Au
...
10
Ni
Pd
Pt
...
9 Co
Rh
Ir
...
8 Fe
Ru
Os
...
7 Mn
Tc
Re
...
6 Cr
Mo
W
...
5 V
Nb
Ta
...
4 Ti
Zr
Hf
Ku
3 Sc
Y
La
Ac
2 Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
T
abel
3.1
. Blo
curi
n ta
belu
l per
iodi
c al
ele
men
telo
r
1
H
Li
Na
K
Rb
Cs
Fr
A
35
-
3.4 Proprieti fizice periodice
Proprietile fizice ale elementelor, cu periodicitate27, sunt:
densitile, razele atomice i ionice, volumele atomice i ionice, punctele de
topire i de fierbere, energiile de ionizare, conductibilitatea termic i
electric, spectrele optice.
Raza atomic se exprim n angstrmi () sau nm., majoritatea
valorilor oscilnd n jurul valorii de 1 - 2. Razele atomice descresc n
perioade, n ordinea: metale alcaline, gaze rare, metale alcalino-pmntoase,
halogeni, elementele grupei a 16-a, etc. n grupe, razele atomice cresc de sus
n jos, datorit creterii numrului de straturi electronice i a numrului
atomic Z.
Raza ionic se exprim n angstrmi () sau nm. i difer de raza
atomic. Pentru a se forma un cation de metal, acesta trebuie s piard
electroni, de unde rezult diferenele ntre valorile razei atomice i razei
ionice, care depind i de starea de oxidare. Razele cationilor, n perioade,
scad de la stnga la dreapta. n cazul formrii anionilor, acetia au surplus
de electroni, iar razele anionilor sunt mai mari dect razele lor atomice. n
grupe, razele cationilor i anionilor cresc de sus n jos.
Volumul atomic se definete ca fiind raportul dintre masa atomic i
densitate. Volumul atomic este volumul unui atom-gram dintr-un element.
Volumele atomice prezint o periodicitate similar cu a razelor atomice.
Elementele tranziionale i cele de la mijlocul sistemului periodic au cele
mai mici volume atomice.
Densitatea elementelor () se definete ca fiind raportul dintre masa
atomic i volumul atomic (atom-gram/cm3). Aceasta crete n grupe de sus
n jos, odat cu creterea numerelor atomice Z, iar n perioade, aceasta
36
-
crete de la extremiti spre centrul sistemului periodic (grupa 9). Metalele
sunt clasificate n metale uoare, adic cu densitate pn la valoarea de
5atom-gram/cm3 i grele cu > 5 atom-gram/cm3.
Elementul cu cea mai mic densitate este Li ( = 0.53at-g/cm3), iar
cel mai greu metal este Os ( = 22.6 at-g/cm3).
Temperaturile de topire (p.t.) (temperaturile necesare pentru a trece
substanele din stare solid n stare lichid) i temperaturile de fierbere
(p.f.) (cantitile de cldur necesare pentru a trece substane lichide n stare
de vapori) variaz periodic deoarece depind de caracteristicile atomilor
(volum, sarcin, etc.). Atomii elementelor cu volum mic, care se leag
covalent (puternic) se topesc la temperaturi mai ridicate dect atomii cu
volum mare care se leag ionic. n perioade, temperaturile de topire i
temperaturile de fierbere cresc la extremiti, ctre grupa a 14 i n grupele 3
12 cresc cu Z.
Exemple: Hg are p.t. - -38.840C; p.f. = 3570C (cel mai uor ajunge n stare
de vapori dintre toate metalele); W are p.t. = 34100C (este cel mai refractar);
p.f. = 59300C ( cel mai greu ajunge n stare de vapori).
Gazele monoatomice au cele mai joase temperaturi de topire i
fierbere:
Ne: p.t. = -248.60C; p.f. = -2460C;
Ar: p.t. = -189.40C; p.f. = -185.80C;
Kr: p.t. = -156.60C; p.f. = -152.90C;
Xe: p.t. = -111.50C; p.f. = -107.10C;
Rn: p.t. = -710C; p.f. = -650C.
Pentru a smulge un electron din nveliul unui atom se consum
energie. Aceasta se transmite atomului fie prin bombardarea cu electroni, fie
37
-
prin absorbie de lumin. Se numete energie (sau potenial) de ionizare
mrimea EI, unde = eV (electron-voli) i e este sarcina electric
elementar, iar V potenialul de accelerare a electronilor folosii pentru a
provoca ionizarea.
Cu alte cuvinte energia de ionizare este energia necesar ndeprtrii
electronilor dintr-un atom al unui element, pentru a-l transforma ntr-un ion
pozitiv, fiind o mrime foarte ine definit din punct de vedere calitativ i
cantitativ.
Energiile de ionizare ale atomilor, n perioade, cu mici excepii,
cresc de la stnga la dreapta (datorit creterii sarcinii nucleului i ecranrii
reciproce slabe a electronilor din acelai strat exterior) iar n grupe descresc
de sus n jos (datorit ecranrii de ctre un numr crescnd de electroni din
straturile interioare). Cele mai mari energii de ionizare ale primului electron,
le au gazele rare (descresc de la He la Rn), apoi halogenii, etc., iar cele mai
mici, metalele alcaline.
Conductibilitatea termic (proprietatea metalelor de a fi strbtute
de un flux de cldur sub aciunea unei diferene de temperatur, J/m.s.K) i
conductibilitatea electric a metalelor (proprietatea metalelor de a fi
strbtute de un curent electric sub aciunea unei diferene de potenial) cea
mai bun o are argintul, apoi cuprul, aurul, aluminiul, calciul, sodiul, etc.28
Spectrele optice, mai exact, cele electronice, se datoreaz
electronilor din straturile exterioare ale atomilor, denumii electroni de
valen. Atomii elementelor din aceeai grup dau spectre optice
asemntoare.
38
-
3.5 Proprietile chimice periodice
Electronegativitatea i electropozitivitatea sunt proprieti calitative
ale elementelor, care sunt greu de definit cantitativ. Ele exprim tendina
atomilor elementelor de a atrage sau ceda electroni, transformndu-se n
ioni negativi i respectiv ioni pozitivi. 29
Elementele din grupa a 18-a au stratul electronic exterior complet
ocupat, ceea ce le asigur o mare stabilitate chimic. Ele nu tind s formeze
ioni sau combinaii.
Elementele celorlalte grupe tind s se transforme n ioni cu
configuraie electronic de gaz inert, pe calea cea mai scurt: elementele cu
puini electroni n stratul exterior, cedeaz uor aceti electroni trecnd n
ioni pozitivi iar cele cu muli electroni, accept electroni, trecnd n ioni
negativi.
Electronegativitatea care este n opoziie cu electropozitivitatea
crete n perioade de la stnga la dreapta i n grupe, de jos n sus. Cele mai
electronegativ element este fluorul iar cel mai electropozitiv element este
franciul.
Elementele electronegative se numesc nemetale, trec uor n ioni
negativi, n stare elementar sunt gazoase sau uor volatile, rele
conductoare de cldur i electricitate i sunt plasate n colul din dreapta
sus al sistemului periodic.
Elementele electropozitive, numite metale, au toate caracteristicile
nemetalelor, numai n sens opus.
Elementele B, Si, As, Te, At, Al, Ge, Sb, Po se numesc semimetale
i au proprieti intermediare.30 Cele enunate mai sus sunt valabile pentru
grupele 1, 2, 13 - 18.
39
-
Electropozitivitatea metalelor tranziionale scade de sus n jos n
grup.
Valena elementelor prezint capacitatea lor de combinare cu alte
elemente. Valena maxim a unui element este numrul maxim de atomi de
hidrogen sau echivaleni ai acestuia, cu care elementul respectiv se poate
combina. Valena 8 este atins n puine combinaii: RuO4, OsO4, OsF8,
XeF8. n combinaii de dou elemente nu apar valene mai mari de 8.
Valena pozitiv este caracteristic elementelor grupelor principale
1, 2, 13, valena negativ grupelor 14 17.31 Metalele tranziionale sunt
aproape toate polivalente; n stare de valen superioar au comportament de
nemetale iar n cea inferioar, de metale.32
Starea (numrul) de oxidare (N.O.) a unui element este sarcina
electric, real sau formal, pe care o are elementul respectiv, ntr-o
combinaie chimic. Ea substituie noiunea de valen i este mai bine
definit.
innd cont de electroneutralitatea combinaiilor, numerele de
oxidare ale atomilor33 se stabilesc empiric dup urmtoarele reguli:
N.O. = 0, pentru atomii din substanele elementare, deoarece
moleculele acestora se formeaz prin participare cu electroni i nu
prin transfer de electroni ntre atomi;
N.O. al ionilor monoatomici, n substanele ionice, este egal cu
numrul electronilor primii sau cedai;
N.O. al atomilor, n combinaii covalente, se atribuie ncepnd cu
elementul cel mai electronegativ.
Semnul sarcinii electrice atribuite elementului depinde de
electronegativitatea celuilalt element din combinaie. De exemplu: clorul
40
-
este n stare de oxidare negativ (-1) n NaCl i pozitiv (+1) n Cl2O.
Fluorul i oxigenul sunt electronegative n toate combinaiile i au strile de
oxidare (-1) i respectiv (-2).
Metalele de tip s posed o sigur stare de oxidare, corespunztoare
cu numrul grupei. La metalele de tip p strile de oxidare pe care le
manifest difer ntre ele prin dou uniti, iar la metalele tranziionale d,
strile de oxidare difer ntre ele printr-o unitate.
Suma strilor de oxidare maxime, n valoare absolut pozitive i
negative, n cazul elementelor care apar n mai multe stri de oxidare
(exclusiv hidrogenul), este egal cu 8.
Aciditatea (caracterul acid) i bazicitatea (caracterul bazic) adic
tria (gradul de disociere) acizilor i bazelor variaz paralel cu
electronegativitatea n cazul aciditii i paralel cu electropozitivitatea n
cazul bazicitii.
n perioade bazicitatea hidroxizilor scade iar aciditatea oxiacizilor
crete, de la stnga la dreapta. n grup, caracterul acid al hidracizilor crete
de sus n jos, iar cel al oxiacizilor scade de sus n jos. Astfel, NaOH baz
tare, Mg(OH)2 baz slab, Al(OH)3 caracter amfoter, iar H2S acid slab
i HCl acid tare. HF este un acid mai tare dect HCl, H2SO4 este un acid
mai tare dect H6TeO6 (acidul teluric).
Elementele de tip d, din cauz c apar n mai multe stri de valen,
nu se supun acestor reguli. n strile de valen inferioare, ele au un caracter
bazic iar n cele superioare, un caracter acid.
41
-
4. Electroni, ioni, fotoni
4.1 Componentele atomului
La sfritul secolului trecut (1897), s-a dovedit c atomii, particule
foarte mici i stabile,34 sunt sisteme compuse din dou pri:
- un nucleu central, ncrcat pozitiv, greu, astfel nct n el este concentrat
aproape ntreaga mas a atomului;
- electroni, care se mic n jurul nucleului, ncrcai negativ, cu o mas
mult mai mic dect a nucleului i ntr-un astfel de numr nct sarcinile lor
negative s compenseze sarcinile pozitive ale nucleului.
Pe aceste baze au devenit explicite i logice o serie de fenomene
cunoscute nc din antichitate i mai ales tabloul periodic al elementelor,
valena i natura legturii chimice, fenomenele electrice precum i emisia i
absorbia luminii.
4.2 Sarcina electric
Noiunea de electricitate deriv de la elektron (chihlimbar, n limba
greac) i a fost introdus de Gilbert (sec. XVI) pentru a defini fora de
atracie a unei baghete de chihlimbar electrizate prin frecare, asupra
obiectelor uoare. Atracia dintre bagheta de sticl i o bucat de chihlimbar
i respingerea dintre dou buci de chihlimbar electrizate, a dus la definirea
a dou forme de electricitate, una negativ i alta pozitiv. n cazul atraciei
se constat prezena unui curent electric care circul de la sticla ncrcat
negativ la chihlimbarul ncrcat pozitiv.35
Fora de atracie (F) dintre dou sarcini opuse, q1 i q2 aflate la
distana r, este dat de legea lui Coulomb:
42
-
221
rqqkF = (4.1)
S-au pus n eviden cteva particulariti ale sarcinilor electrice:
sunt cuantificate i sunt totdeauna un multiplu ntreg al sarcinii electrice
elementare e- = - 1.610-19 C;
sunt aditive: apropierea a dou corpuri ncrcate electric duce la
nsumarea sarcinilor electrice ale corpurilor n contact;
nu pot fi detaate de purttorii de sarcin (electroni);
sunt identice: nu prezint particulariti care s le deosebeasc;
purttorul de sarcin elementar pozitiv este n mod natural protonul
(p+, H+), i valoarea sarcinii electrice elementare pozitive este egal n
valoare absolut i de semn contrar cu sarcina elementar negativ (e-),
dar are o mas de aproximativ 1840 de ori mai mare:
ncarc corpurile negativ sau pozitiv (exces sau deficit de electroni);
4.3 Purttorii de sarcin electric
Dup cum s-a menionat, purttorii de sarcin propriu zii sunt
electronii.36 Pe lng electroni, i particulele ncrcate electric sunt purttori
de sarcin. Aceti purttori pot proveni de la atomi care au pierdut sau
ctigat electroni n urma unui proces chimic de ionizare.
Un fenomen de ionizare se petrece la electroliza unei topituri de sare,
cnd n sarea topit se introduc doi electrozi i se aplic o diferen de
potenial suficient de mare s produc disocierea clorurii de sodiu n Cl- i
Na+:
NaCl ionizare Na+ + Cl- (4.2)
Fenomenul de disociere electrolitic e un fenomen ntlnit n natur.
43
-
Practic majoritatea reaciilor care se desfoar n mod natural se
produc n urma unei disocieri electrolitice i nu necesit prezena unui
potenial electric indus pentru a se produce.
n mod natural se genereaz potenial electric la imersiunea
diferitelor substane n solveni polari.
Cel mai cunoscut solvent polar este apa. Molecula de ap are o
structur asimetric electronic. Oxigenul, element puternic electronegativ,
deplaseaz spre el electronii atomilor de hidrogen aa nct molecula de ap
este o molecul polar, cu polul sarcinilor negative n vecintatea atomului
de oxigen i polul sarcinilor negative n vecintatea atomilor de hidrogen.
n figura 4.1 este redat structura moleculei de ap i deplasarea
centrilor de sarcin.
OH H +
Fig. 4.1. Separarea sarcinilor n molecula H2O
n stare lichid, moleculele de ap se aeaz stratificat, orientndu-i
dipolii aa cum se poate observa din Fig. 4.2.
+
+
+
+
+
+
+
+
Fig. 4.2. Stratificarea moleculelor de ap n faz lichid
Dizolvarea unui electrolit (molecul polar sau sare ionic) n ap
produce fenomenul de disociere la dizolvare, i anume o anumit fracie
44
-
(dat de constanta de disociere, Ka,HCl pentru HCl, ecuaia 4.3) din totalul
moleculelor de HCl se rup datorit prezenei centrilor de sarcin ai apei
(figura 4.3a).37
HCl H+ + Cl - Ka,HCl = ]HCl[
]Cl[]H + [ (4.3)
Chiar ns i n absena unui electrolit i o parte din moleculele de
ap disociaz. Fracia de molecule de ap care disociaz este dat de
produsul ionic al apei, P (ecuaia 4.4, figura 4.3b). OH2
H2O H+ + HO- OH2P = [H+][HO] (4.4)
+
+
+
+
+
+
+
+
+
H+ +
+
Cl HO + +
+
H+ +
Fig. 4.3. Disociere n soluie apoas
+
Prezena unei diferene de potenial suficient de mare (mai mare
dect potenialul electrochimic de descrcare la electrod al speciei
considerate, care este o valoare msurabil experimental) face ca specia
45
-
chimic (atom ionizat, grupare ionizat sau molecul ionizat) s migreze
spre electrodul care posed o ncrcare electric opus cu a sa (figura 4.4).
Un exemplu sugestiv de prezen a potenialului chimic n natur
este la scufundarea unei lingurie de inox n ap carbogazoas, cnd la
suprafaa metalului apar forele de tensiune superficial care determin
apariia unei diferene de potenial ntre metal i lichid, ceea ce face ca
moleculele de CO2 s fie reinute n mai mare msur n lichid.
Echivalentul electrochimic al unui element este cantitatea din
elementul respectiv, deplasat de pe (sau nspre) un electrod de ctre o
cantitate de electricitate egal cu 1As (1 As = 1C, C = Coulomb).
Fig. 4.4. Electroliza soluiei apoase de HCl
+
Cl
HO
H+
H+
Valoarea sarcinii electrice elementare a fost prima dat determinat
pe baza legilor electrolizei, cnd s-a constatat c cantiti egale de moli din
specii diferite descarc cantiti de sarcini multiplii ai numrului lui Faraday
(F = 9.6485104 Cmol-1) i astfel s-a obinut c:
e = AN
F = 1.602.10-19 C/e (4.5)
Speciile purttoare de sarcini electrice:
46
-
pot fi conductoare de electricitate (n cazul soluiilor de electrolii);
electronii se mic liber, n spaii largi, independent de temperatur n
cazul metalelor, aliajelor i soluiilor de electrolii;
pot fi izolatoare sau dielectrice, cnd sarcinile sunt legate, n cazul
gazelor inerte, moleculelor covalente i substanelor ionice n stare
solid;
pot fi semiconductoare, cnd numrul de sarcini libere depinde de
temperatur.
Stone a pus n eviden experimental existena electronului iar J. J.
Thomson38 (1897) i-a calculat viteza i raportul e/me din devierea razelor
catodice n cmpuri electrice i magnetice:
e/me = 1.759 Cg-1 (4.6)
Din valoarea constant gsit pentru e/me, independent de natura
gazului prezent n tubul de descrcare sau de materialul din care este
confecionat catodul, el a tras concluzia c electronii au sarcin negativ i
sunt constituenii fundamentali ai materiei.39
Pe baza valorii calculate de Thomson (4.6) se poate calcula masa de
repaus a electronului:
me = 1.610-19/1.759108 = 9.10810-28 g, (4.7)
de unde se obine c masa electronului n repaus este de 1823 de ori mai
mic dect unitatea atomic de mas:
1/(NAme) = 105/(9.1086.023) 1823. (4.8)
47
-
4.4 Radiaia electromagnetic. Fotonul
Modul de propagare al luminii a preocupat cercettorii nc din cele
mai vechi timpuri.40 Primele ipoteze cu privire la propagarea luminii au fost
emise la nceputul secolului XVI.
Astfel, pe baza diferitelor experimente, Isaac Newton formuleaz
teoria corpuscular iar Christian Huygens formuleaz teoria ondulatorie a
luminii. Experimente care pun n eviden proprietile corpusculare ale
luminii sunt reflexia, efectul fotoelectric i efectul Compton. Mult mai
numeroase sunt ns fenomenele care apeleaz la proprietile ondulatorii:
refracie, interferen, difracie i polarizare.
Peste 300 de ani se pun bazele teoriei cuantice a luminii, prin studiile
ncepute de Max Planck i continuate de Schrdinger i Einstein.
Aplicarea principiului incertitudinii al lui Heissenberg permite acum
explicarea celor dou cazuri limit (corpuscul i und) de manifestare a
proprietilor luminii i a fenomenelor la care ia parte lumina pe baza
modelului cuantic al luminii.
Energia cmpului electromagnetic determin absorbia i emisia de
radiaie electromagnetic i din acest motiv este utilizat n spectroscopie i
fotochimie.
Un cmp electromagnetic este o perturbare care se propag n vid cu
viteza luminii n vid c 3108 ms-1.
Un cmp electromagnetic poate fi privit ca fiind alctuit din dou
componente, un cmp electric (care acioneaz asupra particulelor ncrcate
sau corpurilor polarizate n repaus sau micare) i un cmp magnetic (care
acioneaz numai asupra sarcinilor n micare); fiecare cmp produce o for
care poate accelera particula. Un cmp electromagnetic este generat de
48
-
lungimea de und,
amplitudinea total, AT
Fig 4.5. Propagarea cmpului electromagnetic
sarcini n micare. Un exemplu n acest sens sunt electronii care se
deplaseaz nainte i napoi ntr-o anten i genereaz astfel o perturbare
electromagnetic ce se propag n spaiu. Un cmp electromagnetic induce
micare n particule ncrcate aa cum se petrece n antena unui aparat de
radio la recepie. Cmpul electromagnetic se propag ca o und sinusoidal
i se caracterizeaz prin lungimea de und (distana ntre maximele
nvecinate ale undei), frecvena undei , amplitudinea total AT, care este
valoarea maxim a perturbaiei i de intensitate I care este direct
proporional cu ptratul amplitudinii (figura 4.5).
Frecvena undei reprezint numrul de unde care trec ntr-o
secund printr-un punct oarecare S.I. = s-1 = Hz (Hertz), iar legtura
acesteia cu lungimea de und este dat de relaia:
= c (4.9)
Numrul de und ' este inversul lungimii de und, reprezint
numrul de lungimi de und dintr-un centimetru:
' = 1/ = /c (4.10)
Fotonul este cea mai mic cantitate de energie care poate exista, a
unei radiaii electromagnetice. Nu are valoare constant ci depinde de
frecvena radiaiei emise sau absorbite de un corp41:
= h (4.11)
unde: h = 6.625610-34 Js este constanta lui Planck, fiind o constant
universal de aciune (are dimensiunile [energie] [timp], adic dimensiunile
49
-
unei aciuni).42 Expresia (4.11) este ecuaia fundamental a teoriei cuantice.
Un corp nu poate emite sau absorbi dect un numr ntreg de cuante.43
Clasificarea radiaiei electromagnetice n funcie de frecvena i
lungimea sa de und, tipurile de micri care absorb sau emit energie de o
anume lungime de und sunt prezentate n tabelul 4.1:
Tabel 4.1. Clasificarea radiaiei electromagnetice micri tipul radiaiei
>1m radio
1m microunde 1mm
rotaie molecular
10-3m infrarou ndeprtat 10-5m vibraie
molecular infrarou apropiat rou verde violet
vizibil
ultraviolet
10-6m = 1m 700nm 700-620nm 560-510nm 450-400 10-7m
excitare electronic
10-8m ultraviolet de vid 10-9m = 1nm
10-10m = 1 excitarea miezului electronic 10-11m
raze X
10-12m = 1pm raze 10-12-10-13m excitare nuclear44 raze cosmice
-
5. Nucleul atomic. Radioactivitatea. Radiaii , ,
Fiecare atom, dup experimentele fcute de Rutherford, are un
singur nucleu n care este concentrat toat sarcina pozitiv i aproape toat
masa atomului.45,46 Nucleul atomic este nconjurat de un nveli de electroni.
Numrul de sarcini negative din nveliul electronic este egal cu
numrul de sarcini pozitive existente n nucleu i se noteaz cu Z, numindu-
se numr atomic.
Izotopii sunt specii de atomi aparinnd aceluiai element, diferind prin masa lor, dar asemnndu-se extrem de mult prin proprietile lor fizice
i chimice, au numere atomice Z identice dar numere de mas A diferite.47
Numrul de mas A al unui izotop este egal cu suma numrului de protoni Z
i numrul de neuroni N, din nucleu:
A = Z + N (5.1)
Diversele specii nucleare se noteaz folosind simbolurile
elementelor, crora li se ataeaz, la cele patru coluri, caracteristicile
definitorii, de la caz la caz:
Numrul de mas A
Numrul atomic Z
Simbolul chimic al
elementului
Starea de ionizare e
Numrul de neutroni N Numai 21 de elemente din sistemul periodic sunt monoizotopice,
adic nuclee atomice de o singur specie. Aproape toate cele 21 au Z impar
(11Na, 55Cs, 4Be, 13Al, 9F).48
Celelalte elemente din natur reprezint amestecuri de izotopi n
proporii riguros constante, exceptnd cazul unor elemente uoare (H, C, O,
etc.).
51
-
Elementele cu Z par au un numr mai mare de izotopi, ca de
exemplu Ca: 96.97 % , 0.64 % , 0.145 % . Ca4020 Ca4220 Ca
4320
Izotopii sunt utilizai des n chimie, n studiul cineticii reaciilor
chimice, ca elemente trasoare, n molecule marcate la sinteze, la studierea
compuilor chimici, a structurilor i reaciilor chimice precum i n
biochimie.
Nuclizii sunt specii nucleare caracterizate prin numr de mas A,
numr atomic Z i stare de energie cu condiia ca timpul de via al acestei
stri s fie suficient de mare49 (t > 10-8s).50
Dac nuclizii se abat mult de la linia de stabilitate poate exista o
radioactivitate n emisie de protoni sau neutroni.
Pentru nucleele stabile:
3/2A014.098.1AZ
+= (5.2)
Dac Z < 20, atunci Z A/2. n figura 5.1 se reprezint grafic Z =
f(A), conform relaiei (5.2).
Z
A
Fig. 5.1. Funcia de maxim stabilitate nuclear A = f(Z)
Unele elemente, ca uraniul sau radiul, au proprietatea de a emite
radiaii invizibile, care pot strbate diferite foie metalice, pot impresiona
plci fotografice acoperite sau cauzeaz fluorescena unor substane.
52
-
Mai frecvent se utilizeaz reprezentarea N = f(Z) (figura 5.2).
Revenirea la linia de stabilitate se face prin emisie de radiaie .
Z
N
Fig. 5.2. Funcia de maxim stabilitate nuclear N = f(Z)
Radioactivitatea se definete ca fiind proprietatea nucleelor (unor
nuclizi) de a emite spontan particule , sau de a suferi o captur
electronic i dezintegrare .51 Radiaiile radioactive nu sunt omogene, astfel
c dac radiaiile emise de o surs radioactiv sunt trecute printr-un cmp
magnetic, ele sunt deviate diferit (figura 5.3).
Substanele radioactive eman trei tipuri de radiaii; , i (figura
5.3). Radiaiile sunt deviate n cmp electric i magnetic ntr-o mai mic
msur fa de radiaiile . Radiaiile nu sunt deviate n cmp electric sau
magnetic, ceea ce dovedete c nu au sarcini electrice.
substan radioactiv
cma de Pb
N
S
B
F +
Fig. 5.3. Evidenierea radiaiilor , i
53
-
5.1 Particulele ncrcate grele (radiaii , p+, deuteroni)
Radiaiile sunt nuclee de heliu, ncrcate pozitiv, deplasndu-se cu
viteze foarte mari, care strbat pereii subiri ai unui vas metalic,
acumulndu-se n acesta sub form de heliu.
Particulele grele ncrcate pot suferi trei tipuri de interaciuni:52
ciocniri cu electroni atomici ( cele mai importante); n aceste ciocniri
radiaia i pierde energia n proporie de peste 98% iar efectele
ciocnirii sunt excitarea (detectori utilizai n studiul radiaiilor : ZnS),
ionizarea (ndeprtarea complet a electronilor din atomi sau molecule,
lund natere ioni pozitivi i negativi) i disocierea;
frnare n cmpul electric al nucleului (reemisia de radiaii i X) ;
reacii nucleare ce se petrec cu o probabilitate foarte mic, de
aproximativ 10-3%.
5.2 Radiaiile i
Radiaiile sunt ncrcate negativ, fiind formate din electroni care se
deplaseaz cu viteze foarte mari (de 20 de ori mai mari dect viteza
radiaiilor , respectiv pn la 99% din viteza luminii c). De aceea radiaiile
au putere de ptrundere mai mare dect radiaiile .
Radiaiile sunt de natur electromagnetic, ca i lumina, dar cu o
lungime de und mult mai mic dect razele X obinute n tuburi de raze X
la tensiuni foarte mari. Nu sunt influenate de un cmp electromagnetic i nu
au sarcin electric, puterea de ionizare fiind redus.53,54
n concluzie, substanele sunt alctuite din atomi. Ipotetic, ar putea
exista i antimaterie compus din antiatomi. n diferite experiene n
54
-
cmpuri electromagnetice foarte intense au reuit s se izoleze pentru s
