Curs Nr
Cursul nr.1
1.1. Introducere in chimie
Chimia are ca obiect studiul substantelor definite si fenomenele
prin care acestea se schimba unele in altele.
Originea chimiei este atribuita Egiptului (dupa alte izvoare
Chinei), etimologic fiind cert ca provine de la CHEMA care in limba
veche egipteana inseamna nisipul aluvionar al Nilului (Egiptul
insusi ca existenta)
Scopul cunoasterii in chimie (in stiinte in general) este
stabilirea de legi si teorii (ipoteza si experimentul fiind
primordiale in cercetare).
Multa vreme clasificarea elementelor a fost o ipoteza ,Mendeleev
bazat pe un bogat material faptic, a emis legea periodicitatii
proprietatilor fizice si chimice a elementelor.
Cercetarea stiintifica nu se reduce la stabilirea pe baza
observatiei si experimentului de legi,cercetatorul bazandu-se pe
argumnete logice, deductii matematice care implica un grad mare de
abstractizare elaboreaza in final o teorie.Teoria explica unele
fapte observate si permite prevederea altora.Spre deosebire de
legi,teoriile evolueaza pe masura ce cunoasterea se
perfectioneaza.
1.2.Modele atomice
Studiile descarcarilor electrice in gazele
rarefiate,descoperirea radioactivitatii naturale,descoperirea
radiatilor X si a particulelor subatomice (e si p+)etc.,au impus
revederea notiunii de atom.
Prima incercare de reprezentare sintetica a atomului a fost
realizata de J.J. Thomson prin modelul static (cozonacul cu
stafide).
Acest model nu a putut explica rezultatele experminetale
obtinute de E. Rutherford si de aceea a fost inlocuit cu modelul
dinamic.
Acesta pe baza penetrarii particulelor (He2+) prin foite
metalice,a elaborate modelul planetar(dinamic) al atomului,caruia
ii corespunde o structura lacunara(fig.nr.1.1.)
Fig.nr.1.1 Modelul dinamic al atomului
Modelul propus de Rutherford contravine mecanicii
clasice,deoarece electronul in miscare emite continuu energie si ar
cadea in final in nucleu.
1.3.Modelul lui Bohr
Descoperirea spectrelor de linii ale atomilor a reprezentat un
moment important in studiul atomului iar ulterior teoria cuantica a
lui Plack a fost hotaratoare in aparitia unui nou model atomic.
Balmer a stabilit o relatie empirica pentru spectrul
hidrogenului in vizibil:
n=3,4,5,6,7 pt
Ritz si Balmer au generalizat relatia pentru spectrul IR si
UV
Z=numar de ordine al atomului
Valabilitatea teoriei cuantice a lui Plack a fost dovedita de
Einstein care a aplicat-o pentru a explica efectul
fotoelectric.
Toate acestea l-au condus la elaborarea unui model atomic pe
N.Bohr care a mentinut de la Rutherford structura planetara
(lacunara)a atomului , conditiile de echilibru (,dar pentru a
explica stabilitatea atomului si discontinuitatea spectrelor,
extinde teoria lui Planck () la atomul de hidrogen ,sintetizandu-si
principiile sale asupra structurii cuantice a atomului in doua
postulate:
Postulatul 1.
Atomii neexcitati (in stare fundamentala)pot exista numai in
anumite stari energetice determinate ,numite stari stationare, in
care electronii se misca continuu pe traiectorii circulare denumite
orbite stationare sau premise numai orbitelor pentru care momentul
cinetic orbital este un multiplu intreg de cuante de actiune:
(1)
cuanta de actiune
n = numarul cunatic principal pentru cuantificarea momentului
pentru traiectoria circulara
Postulatul 2.
In atomii excitati au loc miscari discontinui ale
electronilor,tranzitii electronice ,cu absorbtie sau emisie de
energie radianta de o anumita frecventa,cuantificata:
Pe baza celor doua relatii (1) si (2) si o conditie de echilibru
() Bohr calculeaza aceasta frecventa cuantificata:
; iar
Corelatia dintre liniile,seriile spectrale si tranzitiile
electronului pe diferite niveluri energetice in atomul de
hidrogen,conform modelului Bohr, este ilustrata in diagrama
Grotrian,o reprezentare conventionala a nivelelor
energetice,respectiv a termenilor spectrali.
Fig.nr.1.2. Diagrama Grotrian.Spectre de emisie.Linii
spectrale
1.4.Concluzii
Importanta modelului Bohr consta in faptul ca a explicat unele
rezultate experimentale cu privire la cuantificarea energiei
atomului dar perfectionarea aparaturii spectrale a aratat ca in
locul liniilor prevazute de Bohr apar grupe de linii foarte
apropiate numite multipleti.Structura fina a liniilor spectrale nu
putea fi prezentata prin variatia unui singur numar cuantic,
n numar cuantic principal
Ulterior pentru a cuantifica energia pe orbite eliptice s-a
introdus numar cunatic secundar l,numar cuantic magnetic m si numar
cuantic de spin s.
Cele patru numere cuantice introduse arbitrar explica relativ
bine formarea invelisurilor electronice la atomii
polielectronici.Astfel aceste numere cuantice pot lua valori:
n=1,2,3,4,5,6,7.
l=0,1,2,,n-1. l=o 1 2 3 s p d f
m=-l,-(l-1),.,-1,0,+1,,l-1,+l,
s=1/2
Nivelele energetice pot fi reprezentate astfel schematic:
Fig.nr.1.3. Nivelele energetice a straturilor si substraturilor
electronice
1.5.Modelul mecano-cuantic al atomului. Dualitatea
corpuscul-unda
Fizicienii Louis de Broglie,E. Schrodinger,W. Heisenberg s.a.
pun bazele mecanicii ondulatorii.Ei trateaza matematic caracterul
ondulatoriu al electronului ,concluziile fiind spectaculoase.
De Broglie extinde dualitatea corpuscul unda de la
foton(Einstein),ipoteza confirmata prin experientele de difractie a
electronilor.
(Analogie cu fotonul
EMBED Equation.3 )
In locul orbitelor premise se introduce notiunea de unda
stationara care se propaga pe un contur inchis.
Deci lungimea cercului:
Rezulta astfel nefortat(nepostulat) conditia Bohr de
cuantificare a energiei in atom.
1.6.Principiul incertitudinii al lui Heisenberg
Heisenberg arata clar ca la nivelul atomic pentru o particula
elementara este imposibila determinarea cu precizie, concomitent, a
unei proprietati corpusculare (impuls,viteza) si a unei proprietati
ondulatorii (pozitie,frecventa).
Daca se incearca determinarea pozitiei electronului in atom,
eroarea de determinare nu poate fi mai mica decat lungimea de unda
a luminii folosite:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 Analog pentru impuls:
Eroarea totala:
Deci daca dorim cu precizie a stabili pozitia obtinem imprecizie
pentru impuls si invers.
Acest lucru reprezinta o improbabilitate de principiu legile
mecanicii clasice neputandu-se aplica microcosmosului atomic
deoarece apare dualitatea corpuscul unda la particulele elementare
,mecanica ondulatorie reusind sa ofere o imagine mult mai buna
asupra structurii atomului.
Bazele noii mecanici cuantice ,ondulatorii, au fost puse odata
cu teoria lui Schrondinger de la a carui ecuatie ,postultata, a
inceput dezvoltarea ei.
1.7.Ecuatia lui Schrondinger
Pe baza analogiei unda asociata electronului si vibratia unei
corzi fixate la capete ,Shrondinger a incercat sa defineasca starea
electronului in atom adoptand prevederi ale probabilitatii.
Sansa de a intalni cel mai des electronul in jurul nucleului
este maxima in zona care amplitudinea undei electronice este
maxima.
In acustica avem: unde = iar=
Prelucrand matematic aceasta ecuatie si folosind ecuatia de
Broglie: v/; se ajunge la ecuatia:
Miscarea electronului in atom este in spatiu si atunci se
inlocuieste cu o functie sau mult mai bine cu obtinand o ecuatie
celebra:
operator Laplace
De la aceasta ecuatie ,postulata, rezulta concluzii importante
care prezinta starea electronului in atom.
Acest lucru rezulta din rezolvarea matematica a a ecuatiei lui
Schrondinger si a conditiilor pe care le impune rezolvarea
acesteia, in sensul ca adopta solutii numai pentru anumite valori
ale energiei totale E.Aceste valori se numesc valori proprii,
cuantificarea rezulta asadar fara nici un postulat suplimentar
.
Patratul modulului functiei de unda | |2 este luat drept o
masura a probabilitatii de a gasi electronul intr-un element de
volum dV sau mai bine ,reprezentand probabilitatea de a gasi
electronul intr-un strat sferic (sector sferic) de grosime .
De exemplu : pentru n=1 l=0 m=0 avem
EMBED Equation.3 ceea ce reprezinta o orbitala sferica
In mod analog pentru n=n (n=2,3,4,5,6,7) avem ceea ce reprezinta
orbitale sferice de grosime in crestere (Forma de sector de sfera
r
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Fig.nr.1.4. Orbitali tip s
In plan orbitalul de tip s este reprezentata cerc, grosimea
liniei cercului fiind grosimea sectorului de sfera.
Pentru n=2 si l=1 m=-1,0,+1 avem trei orbitali ceea ce
reprezinta o orbitala dilobara ; x,y,z fiind axele de simetrie ale
acestora.
Fig.nr.1.5. Orbitali tip p
Pentru n=3 si l=2 m=-2,-1,0,+1,+2 avem cinci orbitali de
geometrie tetralobara: ceea ce axial reprezinta si (exceptie, fiind
dilobar si cu un inel in jurul sau)
Pentru n=4 si l=3 m=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3 avem sapte orbitali de
geometrie octolobara.
Principii si reguli de constructie a invelisului de
electroni
Fig.nr.1.5.Orbitali tip d si f
1.8.Principii si reguli de constructie a invelisului de
electroni
a)Principiul energetic
Ocuparea cu electroni a orbitalilor atomici se realizeaza in
ordinea cresterii energiei acestora (s