-
1
Chimie generala
An universitar 2013/2014
Introducere
Chimia este o stiin fundamental a naturii. Ea studiaz starea
natural i obinerea,
compoziia i structura, proprietile i transformrile substanelor
precum i fenomenele
cauzale i legile acestor transformri.
Deducerea legilor matematice pentru explicarea cantitativ a
faptelor experimentale
observate formeaz obiectul chimiei fizice.
Dup natura substanelor pe care le studiaz chimia cuprinde dou
mari domenii
chimia anorganic i chimia organic.
Chimia organic se ocup exclusiv cu studiul compuilor carbonului,
mai precis cu studiul
hidrocarburilor i al derivatelor lor, iar chimia anorganic se
ocup cu studiul substanelor
care nu conin carbon, cu excepia unor anumii compui simpli ai
carbonului, cum sunt oxizii
de carbon, carbonaii i carburile metalice.
Chima de sintez este ramura chimiei care se ocup cu prepararea
sau producerea de
substane relativ complexe din substane mai simple.
Chimia analitic este ramura chimiei care se ocup de
identificarea i determinarea
cantitativ a substanelor.
Ca ramuri speciale desprinse din domeniul vast al chimiei
trebuie menionate
- electrochimia - care studiaz reaciile chimice induse de
electricitate sau care sunt
nsoite de fenomene electrice;
- radiochimia care studiaz comportarea chimic i proprietile
substanelor
radioactive;
- chimia nuclear care cerceteaz transformrile nucleelor atomice,
procesele
care au loc precum i prpoprietile atomilor obinui pe cale
artificial;
- fotochimia care studiaz procesele chimice care se produc sub
influena luminii.
- Chimia industrial (chimia tehnologic) trateaz operaiile,
procedeele i
instalaiile folosite n tehnic pentru obinerea pe cale chimic a
substanelor n
cantiti mari, precum i proprietile, metodele de cercetare i
posibilitile de
aplicare ale acestor substane;
-
2
- Chimia biologic sau biochmia se ocup de studiul mecanismelor
chimice n
organismele vii;
- Chimia agricol sau agrochimia reprezint ramura chimiei care
aplic metodele
i principiile chimice la problemele de cultur agricol incluznd
procesele de
cretere a plantelor i combaterea duntorilor;
- Geochimia studiaz compoziia chimic a globului.
Substante simple, substante compuse
Materia este partea componenta a universului si se prezinta sub
2 forme substanta ( se
deplaseaza cu viteza mai mici decit cea a luminii) si energie
radianta ( se deplaseaza cu
viteza luminii). Materia are o structura discontinua si este
formata din particule f. mici, atomi,
ioni, molecule.
Materia clasificare
A-substante pure : I- simple (metale, nemetale, semimetale)
si
II-compuse (vezi schema de mai jos) trec prin metode chimice in
elemente chimice
B -amestecuri : omogene (aerul, saramura, solutia de zahar) si
eterogene(ceata, ulei cu apa,
benzina cu apa, etc. ) trec prin metode fizice in substante
Substantele compuse a) anorganice
-hidruri
ionice (MeHm, NaH, LiH, CaH2)
- covalente (Nem Hn, HCl, NH3, H2S, CH4)
- interstitiale solutii solide de hidrogen in metale
tranzitionale
- oxizi - bazici (Me2Om, CaO, K2O, Fe2O3)
- acizi ( Nem2On, SO2, N2O3, CO2, Cl2O7)
- baze ( M(OH)m, NaOH, Ca(OH)2, Al (OH)3, )
-acizi HnA hidracizi : HCl, H2S, HI
- oxiacizi : HNO3, H2CO3, H3PO4, H2SO4
-saruri -acide Mex(HA)m, KHS, NaHSO4, Ca(H2PO4)2
-neutre MexAm, Na2CO3, K2SO4, Al(NO3)3, (NH4)3PO4
-
3
b)-organice (zaharuri, hidrocarburi, proteine, grasimi,
etc).
Me-metal cu valenta m; Nem-nemetal cu valenta n, A-radical acid
cu valenta x
Notiuni de baza din chimie
Atomul ste cea mai mica parte dintr-o substanta simpla si care
mai pastreaza
individualitatea si proprietatile acesteia. Desi semnificatia
initiala de indivizibil este depasita
acum, denumirea a ramas. Atomul s-a dovedit a fi divizibil si
alcatuit din particule
subatomice fundamentale (electroni, protoni si neutroni) si alte
particule subatomice
(quarcuri, leptoni, bosoni).
Moleculele substantelor simple sunt formate dintr-o singura
specie de atomi (un
element). De exemplu, substanta a carei molecule sunt formate
din doi atomi de azot, N2, este
azotul si este o substanta simpla sau un element. Substantele
simple, O 2 si O3, sunt formate
din aceeasi specie de atomi de oxigen, dar care se deosebesc
prin numarul si asezarea atomilor
in molecula, constituind forme alotropice.
Elementul chimic este o specie de atomi care se caracterizeaza
printr-o totalitate
determinata de proprietati; fiecare atom luat individual,
izolat, este un element chimic.
Elementul chimic este tipul de materie formata din atomi ai
caror nucleu au aceeasi sarcina
electrica. De exemplu, toti atomii care au sarcina nucleara +1
constituie elementul H,
hidrogen. Elementul hidrogen se poate gasi in H2O, CH4, H2,
etc., avind aceleasi proprietati
indiferent de componentele moleculelor in care intra. Substanta
simpla este forma de existenta
in stare libera a unui element.
Moleculele substantelor compuse sunt formate din mai multe
specii de atomi intr-un
raport numeric bine definit. Substanta compusa rezulta din
combinarea substantelor simple,
dar nu este alcatuita din substante simple ci din elementele
respective. De exemplu, clorul si
sodiul in stare libera sunt substante simple, dar in compozitia
clorurii de sodiu ele se gasesc
intr-o alta stare, puternic interactionata, altfel decit in
substantele simple clor si sodiu.
Atomii cu masa diferita a aceluiasi element se numesc izotopi
(izotop = acelasi loc in
sistemul periodic). Un element chimic poate fi format din unul
sau mai multi izotopi cu numar
de masa A diferit.
Simbolul chimic este reprezentarea prescurtata, in scris, a unui
atom, iar in calculele
stoechiometrice, a unui atom-gram. De exemplu, C reprezinta un
atom de carbon dar si un
atom-gram, adica 12 g carbon sau un mol atomic.
-
4
Formula chimica este reprezentarea prescurtata, in scris,
folosind simbolurile a unei
molecule dintr-o substanta simpla sau compusa, iar in calculele
stoechiometrice al unei
molecule-gram, iar daca substanta este gazoasa a unui volum de
22,41 L(volum molar in
conditii normale). De ex., H2 reprezinta o molecula dar si un
mol de hidrogen, respectiv 22,41
l de hidrogen.
Formulele chimice se scriu cu ajutorul simbolurilor elementelor
si pot fi :
-brute sau empirice (arata numai natura si raportul numeric al
atomilor din molecula) de ex
(CH)n poate fi formula bruta pentru acetilena n=2, pentru benzen
n=6, acid ditionos HSO2;
-moleculare (se arata numarul real al atomilor din molecula, in
care caz masa moleculara
corespunde cu cea reala de ex. C2H2 si C6H6, acid ditionos
H2S2O4);
-structurale (se reprezinta si modul de legare si asezare
spatiala a atomilor in molecula) si
care pot fi la rndul lor:
-formule plane obinuite sau rationale care nu redau aranjarea
atomilor in
spaiu ci numai grupele functionale si radicalii HOOH, CH3-CH3,
CH3-COOH
-formule de proiecie (structurale plane) care redau imaginea
spaial sau
schema moleculei cu rabaterea tuturor substituentilor intr-un
plan, de ex. Formule de proiectie
Fischer si Neumann pentru zaharuri
-formule de perspectiva redau dispunrea spatiala a
substituentilor in raport cu
planul hirtiei prin linii ingrosate, normale sau punctate
-formule de configuraie reproduc fidel modelul tetraedric al
atomului de
carbon asimetric sau redau dispoziia substituenilor legai de un
atom de carbon, fata de
planul legaturii pi, sau a planului unui ciclu prezent in
molecula, de ex. configuratia cis trans
a pentenei -2,
-formule de conformaie care indic aranjamentul geometric
rezultat prin
rotirea atomilor n jurul legaturilor simple (conformaia
moleculei) de ex., conformatia
eclipsata sau intercalata a etanului, conformatiile baie scaun
pentru celuloza, ciclodextrine,
ciclohexan
- modele structurale tip bile- tije sau compacte fara tije, de
diferite tipuri
care redau toate detaliile spaiale i geometrice ale
moleculei.
Ecuaia chimic este scrierea prescurtat a unei reacii chimice cu
ajutorul formulelor
chimice, innd seama de legile fundamentale ale chimiei. Ecuaia
chimic reprezint reacia
chimic att calitativ, indicnd natura substanelor care intr n
reacie (reactani) i a celor
care rezult din reacie (produse de reacie) ct i calitativ
indicnd proporiile de mas, iar
cnd substanele care particip la reacie sunt gazoase rapoartele
sunt volumetrice.
-
5
Masa atomic a unui element este numrul care arat de cte ori
atomul elementului
respectiv este mai greu dect 1/12 a parte din masa izotopului
12
C (unitate de mas atomic
a.m.u.- egal cu 1,66.10-24
g), adic este raportul dintre masa atomului respectiv i
a.m.u.
Masa molecular a unei substane este numrul care arat de cte ori
o molecul din
acea substan este mai grea dect a.m.u. i este egal cu suma
maselor atomilor componeni.
Masa atomic i cea molecular sunt mrimi adimensionale.
Atom-gram (mol atomic) reprezint cantitatea dintr-un element
exprimat n grame,
numeric egal cu masa atomic a acelui element.
Molecula-gram (mol) reprezint cantitatea dintr-o substan simpl
sau compus,
exprimat n grame, numeric egal cu masa ei molecular sau este
masa exprimat n grame
a N particule reprezentate printr-o formul chimic (N= numrul lui
Avogadro 6,023.1023
).
De ex. molul apei este 18,0153 g iar atom-gramul (molul atomic)
pentru iod este 126,9044g.
Termenul de mol se aplic la substane care formeaz molecule, la
atomi liberi, la
compui ionici i chiar la particule elementare (de ex. 1 mol de
protoni = N protoni).
Valena stoechiometric a elementelor sau capacitatea de combinare
este numrul
care arat cu ci atomi de hidrogen (sau alt element monovalent)
se combin sau nlocuiete
un atom al elementului respectiv. De ex. Cl se combin cu 1 atom
de H (HCl), O se combin
cu 2 atomi de H (H2O) iar N se combin cu 3 atomi de H (NH3).
Cu timpul, noiunea de valen s-a extins, folosindu-se in funcie
de natura legturii
chimice:
-electrovalena, care este numrul electronilor cedai sau
acceptai, adic sarcina ionului;
-covalena, care indic numrul legturilor, adic al perechilor de
electroni de legtur n
jurul atomului.
Este de preferat nlocuirea noiunii de valen prin cifr, numr,
treapt sau stare de
oxidare care reprezint numrul real (n cazul combinaiilor ionice)
sau fictiv de sarcini
pozitive sau negative pe care l-ar avea elementul dat, dac prin
ruperea legturilor covalente
s-ar transforma n ioni.
LEGILE FUNDAMENTALE ALE CHIMIEI
1. Legi ponderale
Legea conservrii masei (Lomonosov, Lavoisier): masa total a
substanelor rezultate
dintr-o reacie chimic este egal cu masa total a substanelor care
au reacionat sau in orice
proces chimic, masa substantelor care se combina ramine
constanta.
CaCO3 = CaO + CO2 adica 100g = 56g + 44 g
-
6
Aceata lege se verifica numai in unitati de masa, verificarea in
volume nu este posibila,
deoarece de cele mai multe ori reactiile intre gaze au loc cu
modificarea de volum.
Legea conservrii energiei: energia nu se poate crea sau
distruge, ci doar se poate
transforma dintr-o form de energie n alt form de energie.
Legea proporiilor definite (legea proporiilor constante sau a
constantei
compozitiei- Proust): substanele reacioneaz ntre ele n proporii
de mas definite i
constante.
H2 +Cl2 = 2 HCl sau 2NaCl + H2SO4 = 2HCl + Na2SO4 indiferent de
calea de obtinere
raportul masic (in greutate) de combinare este acelasi H:Cl
adica 1:35,5
Legea proporiilor multiple (Dalton): dac dou substane simple se
pot combina ntre
ele pentru a forma mai muli compui chimici, diferitele mase ale
unui component care
reacioneaz cu aceeai mas a celuilalt component se gsesc ntre ele
n raporturi simple i
mici.
De ex. aceeasi cantitate de azot (14g) se combina cu cantitati
variabile de O spre a rezulta
oxizii azotului:
Protoxid de N N2O 28/16 14/8 (adica l/1)
Monoxid de N NO 14/16 14/16 (adica )
Trioxid de N N2O3 28/48 14/24 (adica 1/3)
Bioxid de N NO2 14/32 14/32 (adica )
Pentoxid de N N2O5 28/80 14/40 (adica 1/5)
Se observa ca masele de O din acesti oxizi se gasesc intre ele
in raporturi de
8 : 16 : 24 : 32 : 40 adica 1: 2 : 3 : 4 : 5.
Legea proporiilor echivalente: reaciile chimice decurg de la
echivalent la echivalent
sau substanele reacioneaz ntre ele n cantiti de mas proporionale
cu echivalenii chimici
ai elementelor sau compuilor respectivi.
Comparind NaCl cu CuCl se vede ca 23g de Na sunt echivalente cu
63,5 g Cu deci raportul
este 23 : 63,5.
Comparind NaCl cu CuCl2 se vede ca 23g de Na sunt echivalente cu
31,8 g Cu deci raportul
este 23:31,8. Raportul echivalentilor va fi ca numere intregi si
mici 23 /63,5: 23/31,8= 1:2
Legea ce sta la baza reactiilor chimice este faptul ca acestea
decurg de la echivalent
la echivalent sau un echivalent dintr-o substanta inlocuieste un
echivalent al altei substante.
De ex in reactia Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu 28 g Fe vor inlocui
31,8 g Cu si aceste
valori sunt echivalentii chimici pentru Fe si Cu.
Consecinta legilor proportiilor este notiunea de echivalent.
-
7
Echivalentul chimic este cantitatea dintr-un element sau dintr-o
combinaie chimic
care poate inlocui sau se poate combina cu 1,008 g hidrogen, cu
8 g oxigen sau cu 3 g
carbon care . Dac aceast cantitate este exprimat n grame se
numete echivalent -gram sau
val. Deci H2 are echivalentul gram 1g, iar O2 are valul 8g.
Calculul echivalentului gram.
In reactiile de neutralizare cu schimb de protoni, un echivalent
gram este cantitatea de
substanta care reactioneaza cu un echivalent gram de protoni
(ion-gram de hidrogen), iar in
reactiile redox (oxidare si reducere) prin echivalent gram se
intelege cantitatea de substanta
care reactioneaza cu un electron-gram.
-pentru elemente Eg = masa atomica/valenta
P4 + 6Cl2 = 4PCl3 Eg = masa atomica P/3 = 31/3= 10,326 g
fosfor
P4 + 10Cl2 = 4PCl5 Eg = masa atomica P /5 =31/5= 6,196 g
fosfor
-pentru acizi in reactii de neutralizare
Eg = masa moleculara/ nr de atomi de hidrogen care reactioneaza
sau sunt inlocuiti
Eg = masa mol. HCl/1 Eg = masa molec. H2SO4/ 2
-pentru baze in reactii de neutralizare
Eg = masa moleculara / nr. Grupe OH
Eg = masa mol. Al(OH)3 / 3 = 78/3 =26 g
- pentru saruri
Eg = masa molec / nr. At. Metal x valenta metalului
Eg = masa moleculara BaCl2 / 1x2 =208/2 =104g
-in reactii de oxidare
Eg = masa molecuara / nr. Electroni cedati sau acceptati de o
molecula din substanta
respectiva
8HNO3 + 3Cu = 3Cu (NO3)2 +4H2O + 2NO
N5+
+ 3e - N2+
Eg = masa mol. HNO3 / 3 = 63/3= 21 g
2. Legi volumetrice
Legea volumelor constante (Gay-Lussac): volumele a dou gaze care
se pot combina
pentru a forma un compus definit, msurate la aceeai temperatur i
la aceeai presiune, se
gsesc ntre ele ntr-un raport simplu; volumul compusului rezultat
n stare gazoas este n
raport simplu cu fiecare din volumele gazelor reactante.
H2 + Cl2 = 2HCl 1:1 = H2:Cl2 2:1 = HCl:Cl2 sau HCl:H2 2/2 HCl:
(H2 +Cl2)
-
8
Legea lui Avogadro-Ampere: volume egale de gaze, la aceeai
temperatur i la
aceeai presiune, conin acelai numr de molecule, NA =
6,023.1023
molecule. Acest numar
de molecule este de asemenea continut si intr-un atom gram sau
ion-gram.
Volumul molar este volumul ocupat de 1 mol n condiii de
temperatur i presiune
dat. Volumul molar al oricrui gaz, la temperatura de 0 C i
presiunea de 760 torri, este de
22,414 l.
LEGATURI CHIMICE
1.Definitie
Legtura chimic se definete ca o asociere, o interaciune ce se
manifest ntre atomi
identici sau diferii, care duce la apariia de molecule sau
compui ionici ca urmare a unei
reacii chimice. Proprietile speciale ca urmare a unei coeziuni
deosebite a structurii
metalelor se datoreaz legaturilor chimice de tip metalic.
Din cele 90 de elemente naturale, puine sunt cunoscute in
natura, in conditii
obisnuite, sub forma de atomi liberi (gazele rare). Marea
majoritate a elementelor se gasesc
sub forma de combinatii simple sau compuse in care atomii sunt
legati intre ei. Deci atomii
elementelor chimice in conditii obisnuite nu sunt stabili in
stare libera, ei se stabilizeaza prin
interactiune cu alti atomi, se leaga unii cu altii formind
molecule sau cristale. Atomii
interactioneaza prin intermediul invelisului electronic
exterior, realizindu-se astfel legaturi
intre ei ca urmare a modificarii structurii electronice
exterioare. Structura electronica cea mai
stabila este structura gazelor rare (configuratia electronica
exterioara de gaz inert, configuratie
de octet). Instabilitatea configuratiei electronice a atomilor
liberi se manifesta prin tendinta de
a realiza configuratia stabila de gaz inert. Aceasta se poate
realiza numai prin invelisurile
electronice exterioare ale altor atomi, prin cedare, acceptare
sau punere in comun de electroni.
2. Clasificarea legaturilor chimice
Exista patru moduri principale, distincte, prin care se unesc
atomii sau ionii intre ei,
care corespund urmatoarelor tipuri de legaturi chimice:
-legatura ionic (legtur heteropolar, electrovalen sau pereche de
ioni) se
realizeaz datorit atraciei electrostatice ntre ionii de semn
contrar, care n corpurile solide
formeaz reele cristaline. Atomii i realizeaz structura stabil
prin acceptare sau cedare de
electroni i deci cu formarea ionilor negativi sau pozitivi care
se atrag reciproc. De exemplu,
n clorura de sodiu, atomul de sodiu electropozitiv este donor i
cedeaz un electron clorului
-
9
electronegativ care este acceptor; ambii atomi si realizeaz
structura stabil de octet a gazului
rar mai apropiat de ei.
Na + Cl = Na+ Cl
-
Combinaiie ionice nu formeaz molecule ci perechi de ioni care n
reelele cristaline
solide tridimensionale sunt dispui alternativ, numrul ionilor
care nconjoar un ion cu
sarcin opus se numete numr de coordinare. Ionii i legturile
ionice din cristale se
pstreaz att n urma dizolvrii (solvatrii) n ap sau n alte medii
ct i prin lichefiere
(topirea cristalelor).
Att soluiile ct i topiturile conduc curentul electric i de aceea
aceste substane se
numesc electrolii de ordinul II.
Aceast legtur este caracteristic substanelor anorganice dar
poate s apar uneori
i n unele substane organice ca de exemplu srurile acizilor
carboxilici, compui organo-
metalici, compleci organici.
-legatura covalent (legtur homeopolar sau covalent) se formeaz
prin
punerea n comun a electronilor de valen necuplai care provin de
la atomi identici sau
diferii.
n cazul atomilor identici legtura care se formeaz este covalent
nepolar deoarece
perechea de electroni comuni se gsete la mijlocul distanei
dintre cele 2 nuclee. De exemplu
formarea moleculelor biatomice homonucleare ale gazelor H2, N2,
O2, Cl2.
n cazul atomilor diferii perechea de electroni care formeaz
covalena este deplasat
spre atomul mai electronegativ i legtura este denumit polar. De
exemplu formarea
moleculelor heteronucleare: HCl, H2O, CH3-OH, C6H5-OH.
Aceast legtur este caracteristic compuilor organici i se
simbolizeaz prin liniue
care reprezint cei doi electroni cuplai.
-legatura coordinativa (legtura dativ) constituie un caz
particular de legtur
covalent care const n punerea n comun a unei perechi de
electroni neparticipani, care
provin de la un singur atom. Atomul sau ionul care cedeaz
dubletul de electroni se numete
donor iar atomul sau ionul care primete electronii donorului se
numete acceptor. Acceptorul
trebuie s aib cel putin un orbital vacant pe care-l pune la
dispoziia donorului, care are cel
puin o pereche de electroni liberi neparticipani care se
deplaseaz spre acceptor.
Aceast legtur se ntlnete n compusii amoniacului, aminelor,
alcoolilor, eterilor
care pot forma i combinaii complexe. De exemplu clorur de amoniu
NH 4+Cl
-, ionul
hidroniu H3O+, clorur de trimetilamoniu (CH3)3NH
+Cl
-, etc.
-
10
-legatura metalic este o legtur chimic specific metalelor n care
electronii mai
slabi legai de nucleele metalului (gaz electronic) difuzeaz prin
reeaua cristalin a metalului
i interacioneaz cu ionii pozitivi din nodurile acesteia.
Electronii de pe stratul de valen au
la dispoziie mai multi orbitali, cu energii apropiate care se
ntreptrund, determinnd apariia
de zone extinse n ntreg cristalul. Totalitatea acestor nivele de
energie alcatuiesc banda de
valen, band care este mai larg determinnd coeziunea atomilor n
cristal.
Aceast legtur confer proprieti specifice metalelor cum ar fi:
conductibilitate
mare electric i termic, luciu metalic, opacitate, rezisten
mecanic mare, maleabilitate,
ductilitate, capacitate de cristalizare, etc. Se manifest n
stare solid i lichid, dar dispare n
stare de vapori.
In afara acestor legturi foarte puternice menionate mai sus,
intre molecule, atomi sau
ioni, se realizeaza si alte tipuri de legturi mai slabe inter-
sau intramoleculare. Fora
caracteristic strii lichide i solide care menine aglomerarea
moleculelor poart denumirea
de coeziune intermolecular care este de natur electrostatic i se
realizeaz prin intermediul
acestor legturi secundare, care pot fi:
-legturi prin fore van der Waals se manifest ntre moleculele ce
aparin gazelor
lichefiate, solvenilor neutri (hexan, bezen, tetraclorura de
carbon), cristalelor formate din
reele moleculare. Ele influeneaz unele proprieti ale substanelor
ca: volatilitatea,
solubilitatea, miscibilitatea, plasticitatea, clivajul,
tensiunea superficial, atracia dintre
moleculele gazelor, condensarea, coagularea, atracia moleculelor
din reelele moleculare, etc.
Forele van der Waals pot fi de 3 tipuri:
-de orientare (se manifest ntre molecule polare numite fore
dipol-dipol sau ntre
ioni si molecule polare numite fore ion-dipol care intervin n
procesul de solvatare a ionilor);
-de inducie (apar ntre moleculele polare i nepolare prin
inducerea unui dipol
instantaneu n moleculele nepolare cu manifestarea ulterioar a
unor fore electrostatice ntre
dipolii permaneni i cei indui )
-de dispersie London (apar ntre moleculele nepolare prin
polarizarea temporar a
moleculelor sau atomilor datorit oscilaiilor lor continue,
dipolii temporari rezultai se atrag
reciproc, aceste fore fiind aditive nsumeaz aciunile tuturor
atomilor constitueni ai
moleculelor).
-legaturi prin puni atomice determin apariia de asociaii
moleculare cu condiia ca atomii
ce constituie puntea s aib volum mic i puini electroni.
Asociaiile moleculare se pot stabili prin:
-
11
-puni de hidrogen (apar ntre micro/macromolecule identice sau
diferite prin atracii
electrostatice ntre atomii electronegativi i atomul de hidrogen
aparinnd unei molecule
vecine, legat covalent tot de un element electronegativ. De
exemplu: asociaii moleculare n
ap, alcooli, fenoli, unii acizi organici i anorganici, amide,
polimeri naturali sau sintetici).
F-H.F-H.F-H.F-H
-puni de litiu (locul hidrogenului poate fi luat de un alt
element electropozitiv cu
volum mic, de ex. litiu in florura sau clorura de litiu).
Li-F. Li-F.Li-F.Li-F
Dei au o energie mic, punile atomice prin faptul c sunt
numeroase modific
proprietile fizice ale substanelor n care apar, ca de ex.:
punctul de fierbere, punctul de
topire, cldura de vaporizare, densitatea. Aceste substane pot fi
considerate ca avnd o
structur similar polimerilor realizat prin fore secundare i nu
prin covalene ca la polimeri.
Reacii chimice
In procesle industriale ca i n procesele din natur se ntlnesc
foarte multe
transformri care schimb compoziia substanelor. Procesle care
transform substanele n
alte substane sunt reaciile chimice. Reactia chimica este deci
un proces de modificare a
unui sistem in care dispar si apar substante (specii chimice)
noi.
Substanele care reacioneaz se numesc reactani, iar substanele
rezultate din reacie se
numesc produse de reacie.
Clasificarea reactiilor chimice si exemple
Exista mai multe criterii generale de clasificare a reactiilor
chimice indiferent daca
substantele sunt organice sau anorganice.
Dei numrul reaciilor chimice este foarte mare, se pot clasifica
n patru tipuri:
- reacii de combinare este reacia prin care din dou substane
diferite se obine o
singur substan nou Ex. S + Fe FeS
- reacii de descompunere este reacia prin care dintr-o singur
substan rezult
dou sau mai multe substane (Ex. Oxidul de Hg prin inclyire se
descompune n
Hg i O2
- reacii de substituie sunt reacii prin care un element ia locul
unui alt element
dintr-un compus
Ex. CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu
-
12
- reacii de dublu schimb (dubl descompunere) - sunt reacii n
care dou substane
reacioneaz ntre ele formnd dou substane noi
Ex. AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3
Alte criterii de clasificare sunt:
1. Criteriul termodinamic reactiile sunt:
-exoterme (H0) -insotite de absorbtie de caldura (esterificarea,
obtinerea acidului
iodhidric din elemente, transformari de faza, de ex.
topirea).
2. Criteriul cinetic:
-al molecularitatii, reactiile pot fi:
-reactii monomoleculare (ex. descompunerea termica a
dimetil-eterului);
-reactii dimoleculare (ex. esterificarea unui acid cu un
alcool);
-reactii trimoleculare (destul de rare: oxidarea monoxidului de
azot la dioxid in
prezenta oxigenului, trimerizarile ciclice ale acetilenei,
acetonei, aldehidei formice).
- al ordinului de reactie, reactiile pot fi
-reactii de ordinul 0
-reactii de ordinul I
-reactii de ordinul II
-reactii de ordinul III.
3. Criteriul mecanismelor de reactie:
a. Reactii de oxido-reducere reprezinta procesele chimice care
se desfasoara cu
transfer de electroni intre atomi, molecule sau ioni. Acest
transfer de electroni de la un atom
sau ion la alt atom sau ion determina schimbarea starii de
oxidare. Atomii sau ionii care
cedeaza electroni se oxideaza si se numesc reducatori , iar
atomii sau ionii care accepta
electroni se reduc si se numesc oxidanti. In orice reactie
redox, numarul electronilor cedati de
reducator este egal cu numarul electronilor primiti de
oxidant:
Oxidant1 + ne- Reducator1
Reducator2 - ne-
Oxidant2
Sumind aceste 2 procese se obtine:
Oxidant1 +Reducator2 Reducator1 +Oxidant2
-
13
b. Reactii catalitice sunt transformarile chimice in a caror
desfasurare sunt implicate
unele substante numite catalizatori. Catalizatorii au
urmatoarele proprietati generale:
-maresc viteza reactiilor chimice posibile d.p.d.v.termodinamic
prin scaderea energiei
de activare si instalarea mai rapida a starii de echilibru;
-au activitate catalitica manifestata in concentratii mici,
mediul de reactie continind
concentratii relativ mari de substrat;
- se regasesc la sfirsitul transformarii, in mediu, nemodificati
d.p.d.v. cantitativ si
calitativ.
Reactiile catalitice se impart in 3 categorii:
-Cataliza omogena are loc in faza lichida (ex. descompunerea
apei oxigenate in apa si
oxigen in prezenta de acid iodhidric, hidroliza zaharului in
prezenta de acid sulfuric diluat)
sau gazoasa (ex. oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de sulf
sub influenta oxizilor de azot,
formarea acidului clorhidric din elemente in prezenta urmelor de
vapori de sodiu), cind
catalizatorul este dizolvat in mediul de reactie, formind o
singura faza.
-Cataliza heterogena are loc intre reactanti lichizi sau gazosi
si catalizatori solizi (ex.
oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de sulf in prezenta
catalizatorilor de platina,
hidrogenarea oxidului de carbon in prezenta catalizatorilor de
cobalt pentru obtinerea
alcanilor,etc.). Reactia se petrece pe suprafata catalizatorului
prin contactul catalizatorului
solid cu reactantii, fapt pentru care aceste reactii se mai
numesc si reactii de contact.
-Reactiile enzimatice sunt reactii catalizate de enzime.
Enzimele sunt substante
organice macromoleculare, de natura proteica, sintetizate de
celula vie, dar proprietatile lor
catalitice se manifesta atit in interiorulcit si in exteriorul
celulei. Toate transformarile chimice
din celula vie sunt catalizate de enzime. Exista si procese
enzimatice de importanta tehnica:
ex. hidroliza amidonului in prezenta amilazei, fermentatia
lactica, acetica, alcoolica, etc.
c. Reactii fotochimice
Fotochimia este domeniul chimiei care se ocupa cu studiul
transformarilor calitative
ale materiei sub influenta luminii, a energiei luminoase.
Reactiile fotochimice reprezinta
procesele chimice initiate de fotoni (ex. fotosinteza, sinteza
vitaminei D 2, substitutia alcanilor
si cicloalcanilor cu clorul sau bromul, sub actiunea luminii,
etc.)
4. Alte criterii
-
14
a. Reactii de neutralizare sunt reactii dintre un acid si o
baza. Deoarece reactantii sunt
disociati, se poate prezenta reactia de neutralizare in mediu
apos dintre acidul cel mai puternic
si baza cea mai puternica prin schema:
acid -H3O++ baza - HO
- sare + 2H2O
Reactiile de neutralizare pot avea loc intre un acid tare/slab
si o baza tare/slaba.
Ex. HCl+NaOH =NaCl+H2O
CH3-COOH+NH4OH CH3-COO NH4+ H2O
b. Reactii de (solvo)liza (hidroliza, amonoliza, alcooliza,
acidoliza ) sunt acele reactii
in care unul din reactanti este solventul, o substanta
micromoleculara ca de ex. apa
(saponificarea esterilor, hidroliza nitrililor, hidroliza
sarurilor, etc.), amoniacul (amonoliza
alcoolilor cu obtinerea aminelor), alcoolii (obtinerea eterilor
din derivatii halogenati si
alcooli), acizi (obtinera esterilor din derivati halogenati si
acizi organici), etc.
d. Reactii de ardere sunt acele reactii in lant (uneori
explozii) la care participa
oxigenul si alte elemente sau substante de regula in faza
gazoasa (hidrogen, hidrocarburi
gazoase, etc.).
e. Reactii cu schimb ionic se intilnesc mai ales in chimia
anorganica, ca de ex:
2NaCl + Mg SO4 MgCl2 + Na2SO4
2LiCl + BaSO4 BaCl2 + Li2SO4
In chimia organica sunt si alte criterii specifice de
clasificare a reactiilor chimice.
1. dupa natura procesului desfasurat, reactiile compusilor
organici sunt de 4 tipuri:
a. Reactii de substitutie sunt procesele chimice prin care un
atom sau un grup de atomi
este inlocuit cu alt atom sau grup de atomi:
R-X+YR-Y+X
Dupa mecanismul prin care decurge reactia, substitutiile pot
fi:
-homolitice(radicalice):
-heterolitice(ionice)
b.Reactii de aditie. Dupa mecanismul ce are loc, aditiile pot
fi:
-homolitice
-heterolitice
c. Reactii de transpozitie
d. Reactii de eliminare
e. Reactii de piroliza.
-
15
2. dupa criteriul tehnologic, reactiile organice pot fi de:
halogenare (obtinerea
derivatilor halogenati), nitrare (obtinerea nitroderivatilor),
hidrogenare - dehidrogenare
(obtinerea derivatilor saturati sau nesaturati ai diferitelor
clase de compusi organici),
alchilare, arilare si alchilarilare (obtinerea de noi substante
organice), polimerizare,
policondensare si poliaditie (obtinerea polimerilor sintetici),
etc.
STRUCTURA ATOMULUI
La sfirsitul sec. XIX si inceputul sec. XX au aparut dovezi
experimentale care
combateau indivizibilitatea atomului si demonstrau complexitatea
structurii sale (electroliza,
studiul descarcarilor electrice in gaze rarefiate, studiul
spectrelor luminoase, descoperirea
radioactivitatii naturale, descoperirea razelor X, efectul
fotoelectric, etc.).
Un progres deosebit il reprezinta aparitia fizicii cuantice care
studiaza unitatile
minuscule de radiatie electromagnetica (cuantele sau undele de
lumina) ca forte non-fizice
ale caror deplasare creaza lumea noastra fizica.
Atomul ste cea mai mica parte dintr-o substanta simpla si care
mai pastreaza
individualitatea si proprietatile acesteia. Desi semnificatia
initiala de indivizibil este depasita
acum, denumirea a ramas. Atomul s-a dovedit a fi divizibil si
alcatuit din particule
subatomice fundamentale (electroni, protoni si neutroni) si alte
particule subatomice
(quarcuri, leptoni, bosoni).
Nucleul atomic. Izotopi
Structura nucleului
In mod simplificat si clasic se considera ca atomul este
alcatuit dintr-un nucleu central,
format din nucleoni (neutroni si protoni) si un invelis
electronic tridimesional format din
electroni. Numarul electronilor, sarcini electrice negative, din
jurul nucleului este egal cu
numarul sarcinilor pozitive (protonii) ale nucleului, incit
atomul este electroneutru.
Numarul de sarcini pozitive din nucleu poarta numele de numar
atomic si se noteaza
cu Z. Numarul total al nucleonilor (protoni si neutroni)
dintr-un nucleu se numeste numar de
masa si se noteaza cu A.
A= Z+ N in care N este numarul de neutroni.
Exceptind atomul de hidrogen care are un singur proton ceilalti
atomi au mai multi
protoni si neutroni uniti prin forte speciale de atractie numite
nucleare.
-
16
( Formarea nucleelor din protoni si neutroni este un proces care
degaja o cantitate
considerabila de energie si este insotit de o variatie de masa
numit defect de masa care
reprezinta diferenta intre masa teoretica a nucleului (obtinuta
ca suma maselor nucleonilor ) si
masa reala a nucleului. Defectul de masa caracterizeaza energia
totala degajata la formarea
nucleului din nucleoni si respectiv energia absorbita la
desfacerea nucleului in nucleoni.)
Izotopi
Izotopii sunt specii de atomi ai aceluiasi element (cu acelasi Z
) dar cu A diferit
datorita numarului diferit de neutroni. Invelisul electronic
este identic astfel incit si
proprietatile lor chimice sunt extrem de asemanatoare sau chiar
aceleasi. Deoarece elementele
chimice sunt amestecuri de izotopi, masele lor atomice sunt
numere fractionare. Uneori
izotopii au nume diferite ca de ex. la hidrogen unde cei 3
izotopi se denumesc hidrogen sau
protiu (Z=1, A=1), deuteriu (Z=1. A=2) si tritiu (Z=1, A=3).
Izotopii stabili si radioactivi se folosesc in cercetarea
stiintifica sub forma de atomi
marcati sau trasori si au utilizari in chimie, biologie,
medicina, metalurgie, agricultura si alte
domenii.
Clasificarea elementelor chimice
Necesitatea clasificarii elementelor chimice a aparut paralel cu
descoperirea in natura
a unui numar mai mare de specii atomice.
In 1829 s-au constituit asa numitele triade, formate din
elemente cu proprietati fizico-
chimice asemanatoare, determinate de anumite schimbari care apar
in valoarea maselor
atomice (Li, Na, K ; Ca, Sr, Ba; Cl, Br, I).
In 1862 s-a realizat asezarea in spirala sau elicoidala a
elementelor cunoscute in
ordinea crescatoare a maselor atomice.
In 1863 s-au aranjat elementele dupa masele lor atomice,
rezultind siruri orizontale de
cite 7 elemente; deoarece proprietatile elementelor sunt
asemanatoare la fiecare al 8-lea
reprezentant aceasta regularitate s-a denumit legea
octavelor.
Clasificarea periodica a elementelor a lui Mendeleev
Aranjand elementele in ordinea crescatoare a masei atomice
Mendeleev a observat ca
la anumite intervale apar elemente cu proprietati asemanatoare.
Asezind aceste elemente
unele sub altele obtine sistemul periodic, format din siruri
orizontale numite perioade si siruri
-
17
verticale numite grupe. Astfel Mendeleev descopera legea
periodicitatii conform careia:
proprietatile elementelor sunt functie periodica de masa lor
atomica. Astazi se considera ca
proprietatile elementelor variaza functie de numarul lor atomic.
Asezarea elementelor in
sistemul perodic se bazeaza pe urmatoarele principii, elaborate
de Mendeleev si confirmate de
practica:
1. elementele asezate dupa cresterea maselor atomice prezinta o
periodicitate a
proprietatilor lor;
2. marimea masei atomice defineste caracterul elementului;
3. se poate determina masa atomica a unui element daca se cunosc
omologii sai.
In forma actuala tabelul periodic contine 7 perioade:
-perioada 1-a formata din 2 elemente H, He
-perioadele 2 si 3 sunt scurte si contin cite 8 elemente fiecare
( de la Li la Ne si de la Na la
Ar)
-perioadele 4 si 5 contin cite 18 elemente (de la K la Kr si de
Rb la Xe)
-perioada a 6-a contine 32 elemente ( de la Cs la Rn)
-perioada a 7 a a crescut in ultima vreme de la 3 la 26
elemente, prin descoperirea elementelor
de la Z=104 la Z= 113 .
Elementele chimice se pot clasifica in grupuri sau blocuri dupa
tipul de orbital (s, p,
d sau f) in care intra electronul distinctiv ( pe care un
element il are in plus fata de elementul
precedent).
Elementele din grupele principale IA si IIA au electronul
distinctiv intr-un orbital de
tip s al ultimului strat (ns) formind grupul (blocul)
elementelor de tip s.
Elementele din grupele principale IIIA- VIIIA au electronul
distinctiv intr-un orbital p
al ultimului strat (np), formind grupul sau blocul elementelor
de tip p.
Elementele din grupele secundare IB-VIIIB la care electronul
distinctiv se gaseste intr-
un orbital d al penultimului strat, (n-1) d, formeaza grupul
elementelor de tip d (elemente
tranzitionale d).
Un loc aparte revine elementelor la care electronul distinctiv
ocupa un orbital de tip f
al antepenultimului strat, (n-2) f :
-elemente la care se completeaza orbitalii 4f alcatuiesc familia
lantanidelor;
-elementele la care se completeaza orbitalii 5f alcatuiesc
familia actinidelor.
Lantanidele si actinidele sunt elemente tranzitionale de tip f .
Elementele tranzitionale
de tip d si f fac trecerea de la elementele de tip s la cele de
tip p.
-
18
Structura invelisului electronic al elementelor
Totalitatea electronilor care graviteaza in jururl nucleului
unui atom formeaza invelisul
electronic al atomului. Invelisul de electroni este format din
staruri electronice , iar un strat
poate avea mai multe substraturi. Straturile electronice sunt
sunt notate cu numerele1, 2, 3,
...7 sau cu literele K, L, M, N, O, P, Q.
In miscarea lor rapida in jurur nucleului, electronii nu urmeaza
niste traiectorii precise,
insa ei se pot gasi cu mare probabilitate in anumite regiuni ale
spatiului din jurul nucleului,
formand nori de electricitate negativa (nori electronici) numiti
orbitali. Se cunosc mai multe
tipuri de orbitali: s, p, d, f.
Distributia electronilor in straturi, substraturi si orbitali,
care formeaza invelisul
electronic al unui atom, se numeste configuratie electronica.
Orbitalii, substraturile si
straturile se ocupa cu electroni dupa urmatoarele reguli:
1. principiul minimului de energie: in atomii multielectronici,
electronii se plaseaza pe
substraturi in ordinea cresterii energiei
(1s
-
19
3. Litiu (Li) 2.1 1s2.2s
1
4. Beriliu (Be) 2.2 1s2.2s
2
5. Bor (B) 2.3 1s2.2s
2.2p
1
6. Carbon (C) 2.4 1s2.2s
2.2p
2
7. Azot (N) 2.5 1s2.2s
2.2p
3
8. Oxigen (O) 2.6 1s2.2s
2.2p
4
9. Fluor (F) 2.7 1s2.2s
2.2p
5
10. Neon (Ne) 2.8 1s2.2s
2.2p
6
11. Sodiu (Na) 2.8.1 1s2.2s
2.2p
6.3s
1
12. Magneziu (Mg) 2.8.2 1s2.2s
2.2p
6.3s
2
13. Aluminiu (Al) 2.8.3 1s2.2s
2.2p
6.3s
2.3p
1
14. Siliciu (Si) 2.8.4 1s2.2s
2. 2p
6.3s
2.3p
2
15. Fosfor (P) 2.8.5 1s2.2s
22p
6.3s
2.3p
3
16. Sulf (S) 2.8.6 1s2.2s
2. 2p
6.3s
2.3p
4
17. Clor (Cl) 2.8.7 1s2.2s
2.2p
6.3s
2.3p
5
18. Argon (Ar) 2.8.8 1s2.2s
2 .2p
6.3s
2.3p
6
19. Potasiu (K) 2.8.8.1 1s2.2s
2. 2p
6.3s
2.3p
6.4s
1
20. Calciu (Ca) 2.8.8.2 1s2.2s
2. 2p
6.3s
2.3p
6.4s
2
Dupa completarea substratului 4s se completeaza substratul 3d si
apoi 4p din stratul
M. Toate elementele care-si completeaza cu electroni
substraturile 4s, 3d si 4p fac parte din
perioada a 4 a si sunt 18.
Completarea substraturilor electronice din perioada 5 se face in
succesiunea 5s, 4d si
5p, perioada care cuprinde de asemenea 18 elemente.
La elementele din perioada 6 se completeaza substratul 6s apoi
se plaseaza un singur
electron in substratul 5d dupa care se completeaza substratul 4f
cu 14 electroni (seria
lantanide de la Z=57 pina la Z= 71) si din nou urmaza
completarea substratului 5d pina la 10
electroni. In aceasta perioada sunt 32 de elemente.
Completarea straturilor electronice ale elementelor din perioada
a 7a se face analog
celor din perioada a 6 a: se completeaza intii substratul 7s,
apoi se plaseaza un electron in
substratul 6d, urmind completarea cu 14 electroni a substratului
5f (seria actinide de la Z= 89
la Z=103), si apoi se continua din nou cu substratul 6d care
ramine incomplet.
-
20
Elementele care constituie o grupa au structura electronica
identica pe ultimul strat si
proprietati chimice asemanatoare. Elementele din aceeasi
perioada difera cu cite un electron
instratul exterior (electron distinctiv) si deci proprietatile
lor chimice vor fi diferite. Numarul
de ordine corespunde cu numarul total de electroni, nuamrul
perioadei este egal cu nr. de
straturi ocupate cu electroni, iar numarul grupei coincide cu
numarul de electroni de pe
ultimul strat.
Proprietatile generale ale elementelor
Corelatie intre structura si unele proprietati ale elementelor
si substantelor
Stabilirea structurilor elementelor si substantelor chimice si
corelarea diferentiata a
acestor structuri cu proprietatile fizice si chimice generale
permit sa se faca aprecieri
previzibile referitoare la unele proprietati specifice ale
diferitelor categorii de substante.
Sistematizand proprietatile chimice si fizice ale elementelor
sau substantelor si raportandu-le
la structurile acestora se poate deduce existenta unor posibile
corelatii intre unele structuri si
proprietati, relatii de cauza si efect.
Proprietatile fizice ale substantelor pot fi grupate in
proprietati intensive, cele
independente de cantitatea de substanta cum ar fi: indicele de
refractie, caldura specifica,
densitatea, constanta dielectrica etc. si proprietati extensive
proportionale cu cantitatea de
substanta ca de exemplu: masa, volumul, capacitatea
calorica.
Se disting 2 categorii de proprietati ale elementelor chimice:
aperiodice si periodice.
Proprietatile aperiodice variaza continuu, marindu-se treptat de
la primul element al
tabelului spre ultimul si sunt determinate de nucleele atomice,
ex. masa atomica A, numarul
atomic Z, adica pozitia elementului in tabelul periodic.
Proprietatile periodice (chimice si fizice) sunt determinate de
structura electronica si
se repeta pentru fiecare perioada a sistemului.
- Propietatile periodice chimice sunt: valenta, numarul de
oxidare,
electronegativitatea si electropozitivitatea, caracterul
acido-bazic al oxizilor;
- Proprietati periodice fizice volum atomic, densitate, raze
atomice, ionice,
potential de ionizare, spectrele atomilor, punctul de topire si
cel de fierbere ,
duritatea, conductibilitatea termica.
-
21
Periodicitatea proprietatilor fizice
Densitatea (raportul intre masa si volum) reprezinta nr. de
atomi /cmc, variaza cu
numarul atomic. In ce priveste metalele, densitatea acestora
creste in grupe de sus in jos, in
perioade de la extremitati spre mijloc. Li are densitatea cea
mai mica (0,53) iar osmiu cea mai
mare. Metalele usoare au densitatea sub 5 iar cele grele 5.
Volumul atomic (raportul intre masa atomica si densitate) este
volumul ocupat de un
atom gram si este functie periodica de Z. Cele mai mari volume
atomice le au metalele
alcaline iar cele mai mici elementele tranzitionale si
halogenii. In cadrul unei grupe, volumul
atomic creste de sus in jos, deoarece se adauga noi straturi
electronice.
Spectrele optice sunt determinate de invelisul electronic al
atomilor si sunt spectre de
linii. Doarece in grupe invelisul electronic este analog
spectrele optice sunt asemanatoare.
Potentialul de ionizare (energia de ionizare) reprezinta
tensiunea in V aplicata unui
tub de raze catodice incit sa se indeparteze un electron
dintr-un atom si este functie periodica
de numarul de ordine Z. Gazele rare au cel mai mare potential de
ionizare, explicat prin
configuratie electronica stabila pe ultimul strat si deci
capacitate de reactie redusa. Metalele
alcaline au cel mai mic potential de ionizare, explicat prin
actiunea lor reducatoare si tendinta
de a trece in cationi monovalenti. In perioada energia de
ionizare creste de la stinga la dreapta,
la fel ca electronegativitatea.
Razele atomice cresc in grupa de sus in jos corespunzator
numarului de straturi
electronice si scad in perioada de la stinga la dreapta
corespunzator cresterii sarcinii nucleare.
Razele ionice cresc in perioada de la dreapta la stinga si in
grupe de sus in jos. Raza
ionului pozitiv este mai mica decit a atomului din care provine.
Raza ionului negativ este mai
mare decit raza atomului din care provine.
Punctul de topire si cel de fierbere variaza periodic cu nr
atomic Z dupa un grafic in
zig-zag.
Punctul de topire reprezinta temperatura minima la care o
substanta trece din stare
solida in stare lichida. La unele metale p.t. variaza in limite
foarte largi, astfel pentru Hg p.t.=
-38,84 C iar pentru W p.t. = 3410 C.
Temperatura de topire variaza invers variatiei volumului atomic
la metalele din
grupele I si II principale. La metalele tranzitionale, p. T.
creste in grupa cu masa atomica, iar
in perioada de la extremitati la mijloc.
Punctul de topire al metalelor este in stransa legatura cu
structura cristalina si taria
legaturii metalice. Aceasta proprietate reprezinta un interes
practic in procesul de turnare al
metalelor.
-
22
Punctul de fierbere reprezinta temperatura la care o substanta
trece din starea lichida
in stare de vapori la presiunea de 760 mmHg si variaza in
general cu temperatura de topire.
Duritatea exprima rezistenta opusa de un material in stare
solida la zgarierea sau la
patrunderea in acesta a unui alt corp, masurata prin deformatia
permanenta produsa. Pentru
aprecierea duritatii se poate folosi scara Mohs de la 1 la 10
sau unitati Brinell, Rockwell,
Wickers.
Cu putine exceptii, duritatea scade in grupa de sus in jos si in
perioada de la dreapta la
stanga, elementul cu duritatea cea mai mica fiind Cs. Ca metale
dure se remarca Re, Os, Ru
(ruteniu), Ir (iridiu), V (vanadiu), Ta (taliu), iar metale cu
duritate redusa Hg, Cu, Ag, Au.
Conductibilitatea termica se refera la proprietatea unor corpuri
de a transmite caldura
sub actiunea unei diferente de temperatura. Transmiterea
caldurii in materiale are loc fara
deplasare de masa, prin vibratia atomilor, in cazul solidelor cu
proprietati conductibile scazute
si a electronilor din benzile de conductibilitate, in cazul
metalelor. Conductibilitatea termica
absoluta se determina masurand cantitatea de caldura care se
propaga intr-o secunda printr-un
cm3 de metal la incalzirea cu 1 C si se exprima in cal/ cm
3 s. Dintre metale cea mai buna
conductibilitate termica ( in ordine descrescatoare) o au Au,
Cu, W, Al, Mg iar metalele cu
cea mai scazuta conductibilate sunt: Mn, Bi, Sb.
Periodicitatea proprietatilor chimice
Valenta este un numar intreg care caracterizeaza capacitatea de
combinare a unui
atom cu alti atomi.
Atomi ajung la configuratia stabila de dublet sau octet
caracteristica gazului inert care
incheie fiecare perioada, prin transferul electronilor de pe
ultimul strat, numiti si electroni de
valenta in timpul proceselor chimice
Atomii pot ajunge la configuratii stabile in 2 feluri:
1. Prin cedare de electroni si transformare in ioni pozitivi
(Na-e- Na
+, valenta
este 1 si starea de oxidare este 1+; Ca-2 e- Ca
2+, valenta este 2 si starea de oxidare este 2+)
sau prin primire de electroni si transformare in ioni negativi
(Cl + e- Cl
-, valenta este 1 si
starea de oxidare este 1-;
O +2 e- O
2-, valenta este 2 iar stare de oxidare este 2-)
2. Prin punere in comun de electroni de 2 atomi, covalenta fiind
numarul de de
electroni pe care un atom ii pune in comun cu alt atom (pentru O
2 covalenta este 2 iar pentru
N2 covalenta este 3).
-
23
Definitia mai generala a valentei pentru a include atit
electrovalenta (pozitiva si
negativa) cit si covalenta se face prin notiunea de numar sau
stare de oxidare care este o
masura a numarului de electroni pe care un atom ii poate ceda,
primi sau pune in comun
pentru a se lega de alti atomi identici sau diferiti.
Hidrogenul este monovalent, poate avea electrovalenta 1- sau 1+
, covalenta 1 iar
N.O. +1 sau -1.
Oxigenul este bivalent iar N.O. este -2.
Valentele celorlalte elemente se pot exprima prin numerele lor
de oxidare
calculate in raport cu hidrogenul sau cu oxigenul.
De ex. S are N.O. -2 in raport cu hidrogenul si N.O. +4 si +6 in
raport cu oxigenul.
Clorul are N.O. -1 in raport cu hidrogenul si +1, +3, +5, +7 in
raport cu oxigenul.
Elementele din grupele principale IA, IIA, III A au
electrovalenta pozitiva si N.O.
pozitiv, egal cu numarul grupei.
Elementele din grupele principale VA-VIIA au electrovalenta
negativa si N.O.
negativ egal cu diferenta dintre 8 si nr. grupei.
Electropozitivitatea si electronegativitatea
Elementele care isi realizeaza configuratia stabila prin primire
de electroni se numesc
electronegative iar cele care cedeaza electroni se numesc
electropozitive.
Energia eliberata de un atom, aflat in stare gazoasa, la
captarea unui electron, se
numeste afinitate pentru electron. Cu cit tendinta de a forma
ioni negativi este mai mare cu
atit energia eliberata este mai mare. Variatia afinitatii pentru
electroni creste in perioada de la
stinga la dreapta si in grupa de jos in sus (idem
electronegativitate).
Un atom are tendinta de a forma un ion pozitiv daca se
caracterizeaza prin energie de
ionizare mica si prin afinitate mica pentru electroni.
Dimpotriva are tendinta de a forma un
ion negativ daca se caracterizeaza prin energie de ionizare mare
si afinitate mare pentru
electroni. Capacitatea unui atom de a atrage electroni se
numeste electronegativitate: ea
creste in tabelul periodic de la stinga la dreapta in perioada
si de jos in sus in grupa,
elementele cele mai electronegative fiind situate in grupa a
VII-a (F fiind cel mai
electronegativ). In sens invers variaza
electropozitivitatea.
Caracterul acido-bazic al oxizilor
Elementele electronegative (nemetale sau metaloizi) formeaza
oxizi cu caracter acid
(genereaza cu apa acizi) iar cele electropozitive (metale)
formeaza oxizi cu caracter bazic
(genereaza cu apa baze). Trecerea de la metale( partea stinga a
tabelului) la nemetale (partea
-
24
dreapta a tabelului) se face lent prin intermediul semimetalelor
(B, Si, Ge, As, Sb, etc), scade
caracterul metalic si creste cel nemetalic.
Proprietati caracteristice ale metalelor
Proprietatile metalice tipice se manifesta numai in stare solida
si lichida, acestea
dispar complet la trecerea metalelor in stare de vapori. Vaporii
metalelor sunt monoatomici
cu exceptia vaporilor metalelor alcaline care contin in
proportie mica molecule diatomice (Li 2,
Na2). Acestea disoceaza usor la temperatura ridicata, energia de
legatura fiind mica. Vaporii
metalelor nu au proprietati metalice, nu conduc curentul
electric si se amesteca cu alte gaze in
orice proportie.
Proprietati optice
1. Culoarea
Cand se gasesc in stare compacta, sub forma de blocuri, bare,
placi, granule, fire, metalele
din grupele principale ale sistemului periodic au o culoare alb
argintie, numai cesiul este alb
auriu, beriliu cenusiu deschis, germaniul alb-cenusiu.
Metalele tranzitionale sunt in majoritate albe-cenusii.
Cuprul este rosu - aramiu si aurul galben auriu.
In stare fin divizata metalele au culoarea cenusiu inchis sau
negru, dar Cu si Au isi
pastreaza culoarea si sub forma de pulberi. Culoarea alb
argintie a metalelor este determinata
de faptul ca ele absorb toate radiatiile din domeniul vizibil.
Cuprul absoarbe insa mai puternic
lumina verde iar aurul lumina albastra, fapt ce determina
culorile respective.
In tehnica metalele sunt clasificate in metale negre sau
feroase, prin care se intelege fierul
(impreuna cu fontele si otelurile), si metale colorate, adica
neferoase.
2. Opacitatea metalelor
Metalele in stare solida cat si in topitura sunt opace
nepermitand trecerea luminii nici
chiar in foite foarte subtiri.
Opacitatea se datoreste electronilor de valenta din benzile de
energie care absorb toata
energia radiatiilor luminoase.
3. Luciul metalelor
In stare compacta, neoxidata, metalele reflecta aproape toate
radiatiile din domeniul vizibil
si majoritatea celorlalte radiatii electromagnetice cu alte
lungimi de unda, prezentand luciu
metalic. Reflectarea se datoreste electronilor liberi din metal
si nu celor localizati la atomi. Mg
si Al sunt singurele metale care si sub forma de pulbere au
luciu metalic.
-
25
Proprietati fizico- mecanice
1. Plasticitatea
Plasticitatea reprezinta proprietatea metalelor de a se deforma
permanent la prelucrarea
mecanica sub actiunea unei forte exterioare, fara a se fisura
sau sfarima. In ordinea scaderii
plasticitatii se remarca urmatoarele metale:
Au, Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Sb, Ta (Tantal), Hf, Cu
Metalele foarte dure si casante cum sunt Ti, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb
(Niobiu), Ru (Ruteniu), Os,
Ir nu se pot prelucra sub presiune.
Se considera ca deformarile plastice produse de metale in stare
compacta cauzeaza o
translatie in reteaua cristalina de-a lungul unor planuri
reticulare. Plasticitatea influenteaza
maleabilitatea si ductibilitatea.
2. Maleabilitatea
Este proprietatea metalelor si aliajelor de a se putea
transforma in foi, fara fisurare, prin
laminare la o temperatura inferioara temperaturii de topire.
Maleabilitatea depinde de structura
cristalina a metalelor, manifestandu-se cel mai intens la
metalele care cristalizeaza in retele
cubice cu fete centrate. Ea depinde de asemenea de temperatura,
si anume creste pana la o
anumita temperatura, dupa care scade si metalele devin casante.
Cresterea maleabilitatii cu
temperatura se datoreste slabirii coeziunii dintre cristale, iar
scaderea ei este cauzata de
formarea unor pelicule de oxid intre cristale.
Sunt maleabile Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, din care se pot obtine
foi foarte subtiri
( chiar si de ordinul ).
3. Ductilitate
Ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase in fire
prin procesul de trefilare. Prin
trefilare pot fi prelucrate Au, Ag, Pt, Ni, Ta, Mo, Zr, Nb, Co,
Fe, Cu etc.
Nu se pot trage in fire Be, In, Pb, Tl (taliu), Ti.
Prin maleabilizare si ductilizare metalele isi schimba
considerabil forma sub influenta
unor solicitari mecanice dar fara a pierde caracteristicile
specifice metalelor (Rezistenta, luciu,
opacitate, conductibilitate). Aceasta dovedeste ca in timpul
deformarilor mecanice, atomii care
constituie reteaua cristalina a metalului isi schimba locul in
raport unii cu altii, dar ramin legati
prin norul de electroni comuni ai benzilor de valenta.
Deformarile se datoreaza alunecarilor
anumitor planuri de atomi fata de planurile similare paralele.
Astfel caracterul cristalografic al
retelei nu se schimba si fortele de coeziune se mentin. O
asemenea comportare nu este posibila
-
26
decat intr-o retea de tipul celei metalice, ceea ce face din
metale un material unic in felul sau,
indispensabil in constructia de masini si in multe alte
utilizari practice.
Proprietati electrice ale substantelor
Cand substantele se gasesc sub influenta unui camp electric
exterior in acestea se
manifesta unele modificari specifice ale proprietatilor, uneori
insotite de fenomene de transport
de sarcini. Unele substante sunt bune conducatoare de
electricitate, denumite conductori
electrici, altele sunt rele conducatoare de electricitate, avand
proprietati dielectrice.
Conductorii electrici pot fi grupati in:
conductori de ordinul I (electronici) Aceste materiale prezint o
conductibilitate de
natur electronic, rezistivitatea lor crete odat cu creterea
temperaturii, iar sub
aciunea curentului electric ele nu sufer modificri de structur.
Materialele
conductoare de ordinul I sunt metale n stare solid i lichid. Dac
lum n considerare
valoarea conductivitii lor, materialele conductoare de ordinul I
se pot mpri n:
- materiale de mare conductivitate, cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe,
Zn, PB, Sn etc
- materiale de mare rezistivitate, care sunt formate de obicei
din aliaje i se
utilizeaz pentru rezistene electrice, elemente de nclzire
electric, instrumente de
msur etc.
conductori de ordinul II (electroliti). Aceste materiale prezint
o conductibilitatea de
natur ionic, rezistivitatea lor scade odat cu creterea
temperaturii, iar sub aciunea
curentului electric ele sufer transformri chimice. Din categoria
materialelor
conductoare de ordinul II fac parte srurile n stare solid sau
lichid, soluiile bazice
sau acide, soluiile de sruri (deci toi electroliii).
Substantele a caror conductibilitate electrica este cuprinsa
intre cea a conductorilor
electrici si a dielectricilor sunt denumite semiconductori.
Modelul benzilor de energie explica conductibilitatea electrica
diferentiata la metale,
semiconductori si izolatori.
-
27
La metale banda de valenta si cea de conductie sunt
adiacente.
La semiconductori si izolatori banda de valenta care este
complet ocupata se gaseste la
o anumita distanta fata de banda de conductie, care in stare
fundamentala nu este ocupata cu
electroni. Intervalul dintre cele doua benzi nu poate fi ocupat
din motive mecanic- cuantice si
constituie zona interzisa. Ca urmare la metale trecerea
electronilor din banda de valenta in
banda de conductie se produce fara consum de energie, iar la
semiconductori si izolatori aceasta
trecere se face cu consum de energie. Aceasta energie va fi cu
atat mai mare cu cat zona
interzisa va fi mai mare, iar proprietatile elementului
respectiv vor fi mai indepartate de cele
metalice.
Metalele au zona interzisa egala cu zero, semiconductorii au
zona
interzisa 5eV iar izolatorii in conditii normale au zona
interzisa mai 5eV . De ex. din
valorile zonelor interzise ale elementelor din grupa a IV-a se
observa urmatoarele: carbonul
(diamantul) este izolator, Si, Ge, Sn cenusiu semicontuctori,
iar Pb este metal
electroconductibil.
Elementul C(diamant) Si Ge Sn cenusiu Pb
eV 5,3 1,12 0,73 0,08 0
Sn are doua modificatii cristaline:
Sn cenusiu - Sn
Sn alb - Sn
-
28
Materiale electrotehnice si electronice
Sunt metalele si aliajele lor cu anumite caracteristici
specifice. Sunt conductoare de
ordinul I, au conductivitate electronica, isi maresc
rezistivitatea cu cresterea temperaturii si nu
sufera modificari chimice cand sunt strabatute de curent
electric.
Aliajele metalice sunt substante obtinute din contopirea intima
a doua sau mai multe
elemente chimice, dintre care cel putin unul, aflat in proportia
cea mai mare in aliaj si numit
component de baza este un metal. Aliajele se obtin prin topirea
elementelor componente
Metale si aliaje pentru conductoare electrice
Cuprul
In industria electrotehnica se utilizeaza exclusiv Cu rafinat pe
cale electrolitica avand
o puritate de 99,6 99,9%. Ca material conductor, Cu prezinta
mare conductivitate electrica
si termica ocupand locul al 2-lea (dupa Ag). Se dizolva in H2SO4
si HNO3, este atacat de S,
Cl, H2.
Caracteristicile mecanice ale Cu depind in mare masura de
tratamentul termic. Dupa
tragere la rece se obtine cuprul tare (dur) care are rezistenta
mecanica mare si o alungire mica
la intindere. Din Cu tare supus recoacerii la T 450 - 5000 C
dupa racire se obtin un Cu moale (
rezistenta mecanica mica si alungire la intindere mare). Cu este
foarte ductil si maleabil, se
lipeste si se sudeaza cu usurinta, are rezistenta satisfacatoare
la coroziune.
Aplicatiile Cu in electrotehnica sunt multiple:conductoare
pentru benzi si table, bare,
piese de contact, lamele de colector la masini electrice, de
transport al energiei electrice,
circuite imprimate etc.
Prin alierea Cu cu alte metale se obtin materiale cu
caracteristici mecanice bune, cu
rezistenta mai mare la T ridicate, care au insa conductivitate
electrica mai mica ( alama,
bronzul).
Aluminiul
Al este cel mai usor dintre metalele utilizate in tehnica.
Rezistenta la coroziune in
atmosfera uscata este satisfacatoare, datorita peliculei de
Al2O3 care este aderenta si
neporoasa. In atmosfera umeda Al este distrus in contact cu
metalele tehnice obisnuite. Al nu
rezista la vibratii mecanice si are rezistenta mica la
oboseala.
Principalele utilizari: fabricarea mantalelor de protectie a
cablurilor electrice in locul
Pb, realizarea infasurarilor rotoarelor in scurtcircuit ale
motoarelor asincrone, realizarea
conductoarelor si cablurilor de transport si distributia
energiei electrice
-
29
( conductoarele pentru liniile electrice aeriene se realizeaza
din Al cu inima de otel, sarmele
de otel zincat care formeaza miezul conductorului, suporta
sarcina mecanica principala iar
conductoarele de Al, care se infasoara in jurul miezului de otel
au rolul de a conduce curentul
electric, avand rezistivitatea mai mica decat otelul).
Otelurile
Au caracteristici mecanice superioare. Ele pot fi turnate sau
sudate. Tenacitatea si
rezistenta lor sunt influentate de continutul de carbon. In
functie de compozitia chimica se
deosebesc:
- oteluri nealiate (care contin Fe, C si elemente insotitoare in
proportii obisnuite);
- oteluri aliate (care contin pe langa C si elemente insotitoare
si anumite elemente de
aliere ca de ex. Cr, W, Va si Ti.
Otelurile aliate sunt denumite dupa elementul principal de
aliere si prin urmatoarele utilizari
in electronica si electrotehnica:
- otelul manganos se foloseste la rotoarele masinilor
electrice;
- otel Crom nichel- mangan se foloseste la bandajarea
rotoarelor;
- otelul silicios in functie de procentul de Si se foloseste la
realizarea tablei
silicioase pentru tole, a carcaselor scuturilor si polilor
masinilor electrice;
- Otelul wolfram se utilizeaza pentru realizarea magnetilor
permanenti, scule
aschietoare, matrite;
- Otelul cobalt se foloseste la realizarea magnetilor
permanenti.
Materiale si aliaje cu inalta conductibilitate pentru
contacte
Contactul electric reprezinta atat locul de trecere a curentului
electric de la o piesa
conductoare de curent electric cat si aceste piese. Materialele
pentru piesele de contact trebuie
sa asigure buna functionare a acestora atat la trecerea
indelungata a curentului electric, cat si
in cazul arcului electric care se formeaza la deschiderea
contactelor care intrerup curentul
electric. Un contact necorespunzator se incalzeste din ce in ce
mai mult, cauzeaza distrugerea
pieselor izolante inconjuratoare, avand ca urmare aparitia unor
defecte grave cum sunt:
scurtcircuitele, incendiile.
Aceste materiale trebuie sa fie bune conducatoare, sa se oxideze
cat mai putin, sa aiba
temperatura de topire cat mai ridicata.
Cu are conductibilitate electrica si termica foarte bune,
rezistenta buna la arc (dar nu la
curenti de scurtcircuit) cost relativ redus, dar se oxideaza in
aer, mai ales la temperaturi
ridicate, formand un strat rau conducator si rezistent din punct
de vedere mecanic. De aceea
-
30
folosirea sa este limitata la contactoarele de curent continuu,
asigurandu-se autocuratirea prin
constructie si la aparatele cu contacte in ulei.
Argintul
Are cea mai mare conductivitate electrica si termica, cea mai
mica rezistenta de contact
care se formeaza la suprafata si care se indeparteaza foarte
usor, dar in atmosfera de sulf
formeaza un strat de sulfit rau conducator, rezistenta sa
mecanica si la arcul electric este
redusa, de aceea nu poate fi utilizat pentru anumite contacte de
rupere, este foarte scump si
mai ales deficitar.
Ag fiind foarte moale, pentru marirea duritatii lui el se aliaza
cu alte metale, componenta
de baza a aliajului fiind Ag. Aliajul de Ag cu 3% Cu (argint
dur) are duritate foarte mare si
conductivitate termica si electrica apropiate de cele ale Ag
pur. Acest material precum si
aliajele Ag Cd, Ag Pt, Ag paladiu (Pd) sunt utilizate ca
materiale pentru conductele
electrice. Ag si aliajele sale sunt utilizate pentru armaturi de
condensatoare, conductoare
pentru curenti de inalta frecventa, fuzibile pentru siguranta,
fire pentru suspensiile aparatelor
de masura etc. Ag este un component in aliajele de metale
pretioase folosite pentru realizarea
reostatelor de precizie si etalon. Aliajul Ag Cu Zn se foloseste
ca aliaj de lipit pentru
lipituri care lucreaza la temperaturi ridicate.
Aurul (Au)
Este cel mai bun si maleabil dintre metale, el nu se oxideaza la
nici o temperatura. Au
fiind foarte moale se aliaza cu alte metale ( Pt, Ag, Ni, Co,
Cu). Au este un element ideal
pentru acoperiri protejand materialul de oxidari.
Aliaje ca Au Ag Cu, Au Ni, Au Co, Au Ag Pt, Au Pt sunt folosite
la contactele
electrice ale instrumentelor de precizie etc.
Platina (Pt)
Platina este cel mai stabil metal din punct de vedere chimic.
Este foarte maleabil si
ductil, putandu-se lamina in foi si trefila in fire foarte
subtiri. Platina este cel mai scump
dintre metale si pe langa acest dezavantaj are duritate mica. Se
utilizeaza la realizarea
contactelor electrice, fiind in acest caz aliata cu Ir, Ru, W,
Ni. Contactele Pt Iridiu sunt
indicate pentru instrumentele de precizie cu frecventa mare de
intrerupere. Tot din Pt se
executa electrozi pentru termocupluri, rezistente pentru
cuptoare electrice, etc.
Metale si aliaje cu inalta rezistivitate electrica
Materialele conductoare cu inalta rezistivitate electrica
trebuie sa satisfaca urmatoarele
conditii:
-
31
- sa aiba rezistivitate cat mai mare, pentru a se obtine
rezistoare cu rezistenta
electrica cat mai mare intr-un volum cat mai mic;
- sa suporte temperaturi de functionare, fara ca la racire sa
devina fragile sau sa-si
modifice proprietatile initiale;
- coeficientul de temperatura al rezistivitatii sa fie cat mai
mic ( rezistivitatea sa se
modifice cat mai putin cu temperatura);
- forta electromotoare mica in contact cu Cu.
Cu aceste materiale se realizeaza:
- rezistoare de precizie si rezistoare etalon;
- rezistoare de pornire si reglare;
- rezistoare pentru incalzire electrica.
Manganina
Este un aliaj de Cu Mn Ni cu temperatura maxima de lucru de 200
- 300 C, dar cu
mici modificari ale proprietatilor sale de la 60 C, de aceea nu
se recomanda utilizarea pentru
rezistoarele etalon, peste aceasta temperatura manganina se
prelucreaza usor, putand fi trasa
in benzi si fire subtiri.
Constantanul
Este cel mai utilizat aliaj pentru realizarea rezistoarelor. El
contine Cu si Ni.
Constantanul are un coeficient de temperatura extrem de mic si
de obicei negativ. Neajunsul
sau esential, care impiedica folosirea sa pentru realizarea
rezistoarelor de precizie si etalon il
constituie valoarea mare a fortei termoelectromotoare in contact
cu cuprul. Acest neajuns nu
impiedica folosirea constantanului pentru confectionarea
rezistentelor aditionale pentru
voltmetre si pentru alte produse similare din tehnica
masuratorilor electrice.
Constantanul se foloseste pe scara larga la confectionarea
termocuplurilor si reostatelor.
Aliaje pe baza de Ni
Nicromul
Nicromul contine crom si nichel. Aceste aliaje au temperatura
maxima de utilizare
10000C si o mare rezistenta la oxidare. Prin adaugare de
molibden creste stabilitatea termica
si rezistenta la temperaturi ridicate.
Feronicromul
Feronicromul contine Ni Cr Fe si cateva procente de Mn si Mo. La
temperatura
de 600 - 9000C aceste aliaje devin fragile. Sunt mai ieftine
decat aliajele nicrom, dar sunt mai
-
32
putin rezistente la oxidare din cauza continutului de fier din
aliaj. Aceste aliaje sunt utilizate
la realizarea dispozitivelor de incalzire.
Materiale izolante
Materialele electroizolante, sunt o grupa de materiale care
servesc la izolarea elementelor
conductoare de curent electric. Ele sunt denumite si dielectrici
si sunt caracterizate de o
rezistivitate mare, cuprinsa intre 1012
1022
mm2/m.
Dielectricul fiind un material neconductor, izolator,
proprietatile sale dielectrice sunt acelea
determinate sub actiunea unui camp electric.
Conditiile pe care trebuie sa le satisfaca materialele izolante
in ce priveste proprietatile
electrice sunt foarte variate, in unele cazuri este necesar sa
aiba o rezistivitate mare, in altele o
rigiditate dielectrica mare, iar in altele un unghi mic de
pierdere. Materialele izolante pot avea
functiuni foarte variate:
- evacuarea caldurii care se dezvolta in aparatele electrice in
timpul functionarii lor
(protectie impotriva incalzirii excesive in cazul materialelor
izolante lichide);
- suportarea unei sarcini mecanice mari;
- protectie impotriva umiditatii.
Ca urmare a acestei diversitati de cerinte se intrebuinteaza un
numar mare de materiale
izolante, care fac parte din grupe foarte diferite de
substante.
Este de remarcat ca de siguranta izolatiei depinde mentinerea si
functionarea in bune
conditii a unui echipament. De aceea trebuie acordata o mare
atentie alegerii si utilizarii
juste a materialeler izolante.
Rigiditatea dielectrica este o proprietate importanta a
materialului legate de fenomenul
de strapungere (pierderea proprietatilor de izolant) sub
influenta campului electric.
Tensiunea la care are loc strapungerea se numeste tensiune de
strapungere iar campul
electric corespunzator acestei tensiuni se numeste camp de
strapungere sau rigiditate
dielectrica. Rigiditatea dielectrica este un factor important de
care trebuie sa se tina seama
in proiectarea izolatorilor pentru tensiune inalta precum si a
dielectricului condensatoarelor
care functioneaza la tensiuni inalte, folosite in aplicatiile de
inmagazinare a energiei.
Materiale izolante anorganice
Materiale izolante anorganice folosite in electrotahnica sunt:
sticla, mica, ceramica,
azbestul.
-
33
Avantajele materialelor electroizolante anorganice in raport cu
cele organice sunt:
stabilitate termica ridicata, nu se carbonizeaza si nu se
erodeaza sub e fectul electric, nu se
oxideaza.
Dezavantajele constau in:
- proprietati electrice mai slabe, mai fragile;
- rezistenta la intindere redusa;
- cost ridicat;
- nu pot fi obtinute in grosimi mici si in fire subtiri ( cu
exceptia sticlei).
Sticla
Este un material termoplast, transparent, nehigroscopic, nu este
atacata de baze si acizi
( cu exceptia acidului fluorhidric).
Utilizari:
- izolatoare: impun proprietati electroizolante bune,
higroscopicitate redusa,
rezistenta mare la variatii rapide de temperatura (izolatoarele
instalatiilor de
telecomunicatii);
- lampi electrice si tuburi electronice: impun transparenta la
radiatii UV, rezistenta
la temperaturi ridicate si la actiunea vaporilor metalici,
coeficient de dilatare cat
mai apropiat de al metalului cu care se imbina lampa sau tubul
electronic
- fibrele de sticla pentru comunicatii sunt de mare puritate si
servesc drept ghid de
unde in comunicatii electrice pe frecvente optice.
Mica
Mica este un material electroizolant natural. In electrotehnica
sunt utilizate doua varietati de
mica:
- muscovit incolor sau cu nuante de roz sau verde si se
utilizeaza in special ca
dielectric in condensatoare si ca izolatie de inalta
frecventa;
- flagopit colorat in brun, aproape negru, galben sau verde
avand temperatura de
lucru mai mare decat muscovitul, este inert d.p.d.v. chimic si
se utilizeaza in
masinile si aparatele de inalta tensiune, datorita rigiditatii
sale dielectrice ridicate.
Rezistenta mare la temperatura si rezistenta la uzura apropiata
de cea a cuprului fac
posibila utilizarea sa ca izolatie intre lamelele colectorului
la masini electrice.
Ceramica
Piesele ceramice se glazureaza ( se acopera cu unstrat subtire
sticlos) obtinindu-se piese
nehigroscopice cu rezistenta mecanica imbunatatita. Exemple de
ceramice electrotehnice:
-
34
- portelanul electrotehnic are rezistenta buna la agenti
chimici, comportare buna la
temperatura ridicata si in atmosfera umeda. Este insa foarte
fragil si are o
rezistenta slaba la socuri termice. Prezinta contractie mare la
racire si nu se pot
obtine din aceasta cauza piese de dimensiuni exacte. Este
utilizat pentru izolatoare
de joasa si inalta tensiune si diverse piese pentru aparate
electrice
- steatita (silicat de Mg) au caracteristici superioare celor
ale portelanului avand
pierderi dielectrice mici si la frecvente inalte. Este utilizat
in instalatii de inalta
frecventa. Are caracteristici mecanice bune si comportare buna
la arcul electric,
de aceea este utilizata la fabricarea izolatoarelor de inalta
tensiune.
- Ceramicile cu compusi de titan se utilizeaza la condensatoare,
modulatoare,
multiplicatoare de frecventa.
Azbest
Este un material natural. Firele de azbest sunt flexibile. Este
un material higroscopic, are
pierderi dielectrice mari si pentru a fi utilizat ca material
electroizolant se impregneaza cu
compusi fenolici. Se utilizeaza si ca izolant termic, avand
temperaturi maxime de utilizare de
315C.
Materiale izolante organice
Aceste materiale pot fi termiplaste si termorigide. Materialele
termoplaste se inmoaie
si se topesc reversibil ( dupa racire pot fi retopite).
Materialele termorigide (termoreactive) nu
se inmoaie la caldura si se transforma ireversibil.
Hartia
Este un produs natural pe baza de celuloza, este foarte
higroscopica si de aceea nu poate fi
utilizata ca atare ci numai impregnata cu lacuri. Nu suporta
temperaturi ridicate. Se foloseste
la:
- izolatii pentru cabluri electrice si uleiuri sicative; are
rigiditate dielectrica mare,
rezistenta mare la sfasiere;
- dielectric pentru condensatoare, se impregneaza cu ulei de
condensator, de ricin
sau parafina pentru imbunatatirea caracteristicilor
electrice;
- utilizare in telefonie serveste la izolarea cablurilor
telefonice si a conductoarelor
de bobinaj.
Uleiuri
-
35
Uleiurile vegetale numite si uleiuri sicative sunt utilizate la
fabricarea lacurilor
electroizolante. Uleiurile minerale sunt produse naturale
obtinute din titei. Au urmatorele
utilizari:
- izolant in transformator si la racirea acestuia. Uleiul pentru
transformator se
utilizeaza si la intrerupatoare electrice;
- pentru impregnarea hartiei la cablurile izolate cu hartie.
Rasini
Rasinile pot fi naturale sau sintetice. Cele naturale sunt
produse de animale sau de arbori
rasinosi:
- elacul - este o substanta termorigida de origine animala. Se
dizolva in alcool, acid
acetic, acid formic. Are bune proprietati de incleiere, se
utilizeaza la fabricarea
lacurilor de lipit, de impregnare si la fabricarea materialelor
plastice
- colofoniul - se obtine din rasina unor conifere. El este
solubil in alcool, uleiuri,
hidrocarburi. Se foloseste la impregnarea hartiei pentru
izolarea cablurilor de inalta
tensiune sau umplerea mansoanelor cablurilor electrice.
SISTEME DISPERSE
Sistemele disperse reprezinta amestecuri de 2 sau mai multe
substante, caracterizate
prin omogenitate sau microheterogenitate, in care cel putin una
din componente se gaseste
dispersata la nivel molecular si care joaca rol de dispersant. O
a doua componenta numita
substanta dispersata se poate gasi in sistem dispersata la
maximum posibil (deci la nivel
molecular, atomic sau ionic) sau poate avea particule aglomerate
pina la anumite nivele, incit
in unele cazuri acestea pot fi observate cu ochiul liber sau la
un microscop optic obisnuit.
Dupa dimensiunile particulelor dispersate, sistemele disperse se
clasifica in:
a. Solutii adevarate sau cristaloide, in care particulele
componentei dispersabile se
gasesc dispersate la maximum posibil, respectiv la nivelul
particulelor chimice (molecule,
atomi, ioni), incit apare o singura faza, lichida si omogena.
Dimensiunile particulelor
dispersate sunt de ordinul 10-7
-10-8
cm.
b. Dispersii grosiere sau suspensii in care particulele
dispersate sunt suficient de
mari pentru a fi observate cu ochiul liber sau la microscop;
acestea nu trec prin hirtia de filtru
obisnuita. Diametrul unei astfel de particule este mai mare de
10-5
cm.
-
36
c. Sistemele coloidale se situeaza intre solutiile cristaloide
si suspensii
Particulele dispersate intr-un sistem coloidal nu se observa la
microscop, dar sunt observabile
la ultramicroscop si la microscopul electronic; trec prin hirtia
de filtru obisnuita dar nu trec
prin ultrafiltre. Diametrul unei particule coloide este de
ordinul 210-5
- 210-7
cm.
SOLUTII CRISTALINE
Solutiile sunt amestecuri omogene formate din 2 sau mai multe
substante care se
gasesc dispersate la nivelul particulelor chimice. Aceste
particule nu sint observabile cu
ajutorul microscoapelor, trec usor prin hirtiile de filtru, deci
nu se pot separa prin filtrare sau
centrifugare. In alcatuirea unei solutii exista o componenta
care dizolva, numita dizolvant,
solvent sau mediu de dispersie, care se gaseste in exces fata de
componenta care se dizolva,
numita corp solubil, solut, solvat, substanta dizolvata sau
dispersata. Dupa starea lor de
agregare, solutiile adevarate se clasifica in:
- solutii gazoase (amestecuri de gaze care indiferent de
structura lor chimica se pot
amesteca in orice proportie);
- solutii lichide ( pot fi solutii de gaz in lichid, lichid in
lichid si de solid in lichid) si
- solutii solide ( se intilnesc mai frecvent in cazul
aliajelor).
Procesul prin care substantele solubile trec in solutii se
numeste solvatare si se
realizeaza prin stabilirea unor interactiuni intre moleculele de
solvent si particulele solubile
(forte van der Waals, interactiuni ion-dipol, dipol-dipol, punti
de hidrogen).
SOLUTII COLOIDALE
Solutiile coloidale reprezinta sisteme disperse, aparent
omogene, care in realitate sunt
sisteme microheterogene, in care particulele dispersate se
caracterizeaza prin dimensiuni
superioare particulelor chimice obisnuite. La un sistem coloidal
se distinge un mediu de
dispersie numit in acest caz dispergent, corespunzator
solventului in cazul unei solutii
adevarate, si faza dispersa, care corespunde substantei solvite
dintr-o solutie obisnuita.
Dispersiile coloide se mai numesc si soli, iar faza dispersa,
izolata intr-un sol, se numeste gel.
Clasificarea sistemelor coloidale se realizeaza dupa mai multe
criterii:
a. dupa forma particulei coloide se disting coloizi cu particule
sferice si cu particule alungite
-
37
b. dupa natura particulei coloide se disting coloizi micelari si
coloizi macromoleculari
Coloizii micelari (coloizi de asociatie) se formeaza prin unirea
unui numar mai mare
de molecule obisnuite, atomi sau ioni, unire realizata prin
forte van der Waals, forte
electrostatice sau prin punti de hidrogen. Ansamblul acestor
asociatii poarta numele de miceli
si apar in mediul in care substanta respectiva nu este solubila.
Unii hidroxizi ca Al(OH)3,
Fe(OH)3, Cr(OH)3, detergenti, sapunuri de sodiu si potasiu,
formeaza coloizi micelari in
mediu apos.
Coloizii macromoleculari sunt solutii moleculare adevarate, in
care faza dispersa este
formata din substante macromoleculare. Dimensiunile
macromoleculelor sunt comparabile cu
ale particulelor coloidale, proprietatile lor sunt asemanatoare
cu cele ale solutiilor coloidale.
Solutii coloidale macromoleculare formeaza cauciucul dizolvat in
benzen sau alti compusi
macromoleculari ca polietilena, polistirenul, policlorura de
vinil, etc. Se cunosc substante
macromoleculare care formeaza solutii coloide in apa (amidonul,
proteinele solubile-albus de
ou, gelatina, etc.).
c. dupa interactiunea dintre moleculele dispergentului si cele
ale fazei dispersate se disting
coloizi liofili si liofobi, iar cind dispergentul este apa,
coloizii pot fi hidrofili si hidrofobi.
In cazul coloizilor liofili, intre moleculele dispergentului si
faza dispersa apar
interactiuni prin forte van der Waals sau de natura
electrostatica (ex. coloizi macromoleculari
si de asociatie amidon in apa, sapun in apa, gelatina in apa,
unii hidroxizi metalici in apa,
etc.). In cazul coloizilor liofobi nu apare nici o interactiune
intre particula coloida si
moleculele de dispergent, adica particula coloida nu se
solvateaza, ca in cazul coloizilor
liofili(ex.suspensii de substante insolubile in apa-AgI, S, aur,
grafit coloidal, etc.).
d. dupa fluiditatea lor, sistemele coloidale pot fi liber
disperse sau continuu disperse.
Sistemele liber disperse manifesta o mobilitate ridicata a
particulelor coloide si o
fluiditate notabila a solutiei (ex. hidrosolurile,
organosolurile- solul de AgI in apa, etc.).
Sistemele coloide continuu disperse contin particule dispersate
unite intre ele instructuri
tridimensionale care manifesta anumita rezistenta la alunecare
si deci sistemul are o fluiditate
mai redusa (ex. solutii de gelatina, de cleiuri, de albumine,
etc.).
e. dupa starea de agregare a componentelor, sistemele coloide se
clasifica in soluri
(suspensii), emulsii, spume si aerosoli.
Solurile sunt sisteme coloide la care dispergentul este lichid
iar dispersatul solid (ex.
aur coloidal, proteine in apa, suspensii de pigemnti sau
coloranti organici in apa, etc).
Emulsiile sunt sisteme coloide la care atat dispergentul cat si
dispersatul sunt lichide
partial miscibile sau nemiscibile. Ex. grasimi lichide in apa,
laptele, smintina, maioneza, etc.
-
38
In industrie, se intilnesc frecvent emulsii in sectorul
alimentar, la prepararea a unor lacuri si
vopsele, in procesele de flotatie pentru imbogatirea
minereurilor,etc.
Substantele care au proprietatea de a favoriza emulsionarea,
stabilizind emulsiile, se
numesc emulgatori (substante emulsionante): ex. sapunuri,
detergenti sintetici, proteine, guma
arabica, unii derivati sulfonici, caolin, unele saruri
anorganice, etc.
Se cunosc 2 tipuri de emulsii: tipul ulei in apa (U-A) (numite
si emulsii directe) si
tipul apa in ulei (A-U) (numite si emulsii indirecte).
Tipul unei emulsii depinde de natura emulgatorului si in f. mica
masura de proportia
fazelor componente: faza lichida care interactioneaza mai bine
cu emulgatorul devine
dispergent. Astfel folosind sapunul de sodiu sau detergenti
sintetici ca emulgatori se obtin
emulsii de tip U-A, deoarece acestia interactioneaza mai bine cu
apa decit cu uleiul. Emulsiile
de tip A-U se obtin folosind un emulgator a carui molecula
interactioneaza mai puternic cu
uleiul, de ex. sapunul de calciu sau magneziu.
Emulsiile stabile pot fi sparte, avind loc un proces de
dezemulsionare. Acest