1 | Page Materia este formată din atomi, care se combină pentru a forma molecule. În chimie și fizică, atomul (în limba greacă ατομος înseamnă “indivizibil”) este cea mai mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietățile chimice ale unui element (chimic). Atomul este constituit dintr- un nucleu cu sarcină pozitivă înconjurat la o distanță relativ mare de electroni, ce au sarcină negativă. Nucleul conține protoni, ce au sarcină pozitivă, și neutroni, care nu au sarcină electrică. Numărul protonilor este egal cu cel al electronilor, ceea ce face ca atomul să fie neutru din punct de vedere electric. Atomii unui element au anumite caracteristici comune, care-i deosebesc de atomii oricarui alt element. Atomi sunt reprezentati prin modele atomice. Cei mai mulți atomi sunt compuși din trei tipuri de particule subatomice care guvernează proprietățile lor externe: electronii, care au o sarcină electrică negativă și sunt cele mai puțin masive particule subatomice; protonii, care au o sarcină electrică pozitivă și sunt de aproa pe 1836 ori mai masive decât electronii; neutronii, care nu au sarcină electrică și care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decât electronii.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1 | P a g e
Materia este formată din atomi, care se combină
pentru a forma molecule. În chimie și fizică, atomul (în
limba greacă ατομος înseamnă “indivizibil”) este cea mai
mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietățile
chimice ale unui element (chimic).
Atomul este constituit dintr-un nucleu cu sarcină
pozitivă înconjurat la o distanță relativ mare de electroni, ce au sarcină negativă. Nucleul conține
protoni, ce au sarcină pozitivă, și neutroni, care nu au sarcină electrică. Numărul protonilor este
egal cu cel al electronilor, ceea ce face ca atomul să fie neutru din punct de vedere electric.
Atomii unui element au anumite caracteristici comune, care-i deosebesc de atomii
oricarui alt element. Atomi sunt reprezentati prin modele
atomice.
Cei mai mulți atomi sunt compuși din trei tipuri de
particule subatomice care guvernează proprietățile lor
externe:
electronii, care au o sarcină electrică
negativă și sunt cele mai puțin masive
particule subatomice;
protonii, care au o sarcină electrică pozitivă și sunt de aproape 1836 ori mai
masive decât electronii;
neutronii, care nu au sarcină electrică și care sunt de aproximativ 1839 ori mai
masivi decât electronii.
2 | P a g e
CONFIGURAŢIA ELECTRONICĂ
Comportarea chimică a atomilor este datorată interacțiunilor dintre electroni. Electronii
unui atom rămân în interiorul unor configurații electronice fixate, predictibile. Aceste
configurații sunt determinate de mecanica (cinematica) cuantică a electronilor în potențialul
electric al atomului; numărul cuantic principal determină învelișuri electronice particulare cu
nivele distincte de energie. În general, cu cât este mai înalt nivelul de energie, cu atât este
electronul mai îndepărtat de nucleu.
Electronii de pe cel mai îndepărtat înveliș, numiți și electroni de valență, au cea mai
puternică influență în comportarea chimică a atomului. Electronii de pe învelișurile interioare,
(deci nu cei de valență) joacă și ei un rol cu efecte secundare datorate ecranării sarcinii pozitive
din nucleul atomic.
Electronii unui atom excitat vor cădea în mod spontan pe nivelul inferior, emițând
energia excedentă sub formă de fotoni, până la revenirea la starea de bază.
Ocuparea cu electroni a orbitalilor se produce urmând trei reguli:
1. Se ocupă mai întâi orbitalii cu energia cea mai scăzută: 1s → 2s → 2p → 3s→ 3p →
4s → 3d ... (orbitalul 4s are energie mai scăzută decât 3d).
3 | P a g e
2. Electronii se rotesc în jurul axei proprii (spin), iar rotația se poate produce în două
sensuri, fapt reprezentat prin două săgeți: sus (↑) și jos (↓). Doar doi electroni pot ocupa un
orbital, și ei au spin opus (principiul de excluziune al lui Pauli̧ vezi figura 2).
3. Dacă sunt disponibili mai mulți orbitali cu aceeași energie (ex. cei trei orbitali p), se
ocupă cu câte un electron fiecare orbital până când toți orbitalii sunt semi-ocupați, și apoi se
ocupă cu cel de-al doilea electron (regula lui Hund).
Nivelele energetice ale orbitalilor dintr-un atom
Configurația în stare fundamentală a unui atom reprezintă o listă a orbitalilor ocupați cu
electroni în atomul respectiv. De ex., hidrogenul are configurația electronică 1s1 , iar carbonul
(care are șase electroni) are configurația 1s2 2s2 2p2 (sau 1s2 2s2 2px 1 2py 1 ). Numărul de
electroni din fiecare orbital este notat ca exponent.
Prin combinare chimica atomii isi modifica straturile exterioare de electroni, realizand
configuratii mai stabile, identice cu ale gazelor nobile sau apropiate de acestea. Prin formarea
legăturilor chimice se eliberează energie, iar pentru ruperea lor se consumă energie.
Exista tipuri generale de legaturi chimice, adica modalitati de realizare a configuratiilor
stabile ale atomilor: legatura ionica si legatura covalenta.
Teoria electronica a legaturii chimice se bazeaza pe cateva principii si anume:
tendinta de combinare este cauzata de nestabilitatea configuratiei electronice a atomilor
liberi;
stabilitatea configuratiei de gaz nobil – realizarea octetului electronic;
tendinta de folosire cat mai completa a electronilor si orbitalelor disponibile.
4 | P a g e
Kossel in 1916 a elaborat teoria electronica a legaturii ionice. Aceasta legatura ia nastere
intre elemente cu caracter chimic diferit, deci cu diferente mari de electronegativitate. Conform
acestei teorii formarea legaturii ionice presupune doua etape:
formarea ionilor;
atractia electrostatica dintre ioni.
Teoria electronică a valenței, formulată independent de W. Kossel și G.N. Lewis, are la
bază ideea că în transformările chimice ale elementelor sunt implicați electroni din stratul
exterior, numiți electroni de valență. În reacțiile chimice atomii tind să își modifice învelișul de
electroni astfel încât să dobândească o configurație electronică stabilă de dublet sau de octet, și
anume cea a gazului inert cel mai apropiat. Se formează o legătură în care o pereche de electroni
este pusă în comun de doi atomi.
Moleculele cu mai mult de opt electroni la unul dintre atomi sunt foarte instabile, în timp
ce acelea cu mai puțin de opt electroni la un atom sunt în mod obișnuit foarte reactive față de
sistemele donoare de electroni. Există două căi pentru a atinge configurația de gaz inert. O primă
cale constă în transferul de electroni, în care un atom cedează electroni și devine ion pozitiv, iar
celălalt acceptă electronii și devine ion negativ; ambii dobândesc astfel configurația gazului inert
cel mai apropiat.
Numarul lui Avogadro NA = 6,022.1023 mol-1
Numarul de molecule intr-un mol reprezinta numarul lui Avogadro: aproximativ
6,022×1023 particule/mol. Acest numar serveste drept baza la determinarea marimii fizice
cantitatea de substanta.
Valenta (numarul de oxidare) caracterizeaza capacitatea de combinare a unui atom cu
un alt atom. Ea este data de numarul electronilor cu care atomul participa la formarea legaturilor
chimice si variaza in functie de atom si grupare chimica.
5 | P a g e
Electrovalenta - legatura chimica stabilita intre ioni cu sarcini electrice de semn contrar,
datorita fortelor electrostatice de atractie dintre acestia.
Legatura covalenta este legatura chimica in care atomii sunt legati intre ei prin perechi
de electroni puse in comun, atomii avand pozitii fixe unii fata de altii. Aceasta apare doar intre
atomii nemetalelor, iar rezultatul legarii se numeste molecula.
Elementele situate in sistemul periodic inaintea gazelor inerte sunt electronegative,
deoarece realizeaza configuratia de gaz inert prin acceptare de electroni. De exemplu : F, Cl, Br,
J sau O, S, Se, Te accepta unul, respectiv doi electroni si devin ioni negativi. Elementele mai
indepartate de gazele inerte cum ar fi de exemplu C, N, B nu formeaza ioni de felul C4_, sau
N3_ ci au tendinta de a forma legaturi covalente.
Legatura ionica (electrovalenta) se formeaza numai intre atomii elementelor care difera
mult ca electronegativitate. Legatura electrovalenta se intalneste la combinatiile anorganice
dintre care reprezentantii tipici sunt sarurile. Se realizeaza pe baza transferului de electroni de la
atomii elementului cu caracter chimic metalic la atomii elementului cu caracter chimic nemetalic
si a interactiei electrostatice intre ionii formati.
Astfel, elementele din grupele I si a II-a principala, avand mai putini electroni pe ultimul
strat ii cedeaza cu usurinta transformandu-se in ioni pozitiv, in timp ce elementele din grupa a -
VI-a, respectiv a VII-a principala accepta aceesti electroni formand ioni negativi. Se formeza
astfel o molecula a carei legatura ionica se bazeaza pe atractia electrostatica exercitata intre
atomii ionizati pozitiv sau negativ. Compusii ionici formati sunt electroneutri, suma sarcinilor
pozitive fiind egala cu suma sarcinilor negative dintr-o cantitate data de compus ionic.
6 | P a g e
Elementele din grupele I A, II A, III A si toate grupele secundare, cedeaza electroni
transformandu-se in ioni pozitivi. Elementele din grupele V A, VI A, VII A accepta electroni
transformandu-se in ioni negativi. Ionii formati se atrag datorita legii lui Coulomb pana la o
anumita distanta. Rezulta compusi ionici, nu molecule.
Ionii pot fi:
monoatomici: Na+, Zn2+, Al3+, Cl ─ , S2 ─ , O2 ─
poliatomici: NH4+, H3O+, SO42 ─ , CN ─ .
Exemple de compusi cu legatura ionica:
Oxizi metalici: CaO, MgO, Na2O, Na2O2
Hidroxizi: LiOH, NaOH, KOH
Saruri:NaCl, MgCl2, CuSO4, NH4Cl, KNO3
Sarea Sarea de bucătărie NaCl este un exemplu clasic de material solid în care atomii
sunt legați prin legături ionice. Legăturile ionice se găsesc în mod frecvent în materiale care
normal sunt compuse dintr-un metal şi un nemetal. Sodiul (Na) este un metal alcalin cu un
electron de valență care poate uşor să părăseacă atomul pentru a forma un ion Na+ cu un număr
complet de învelişuri. Ionul Na+ arată la fel ca elementul inert Na dar are o sarcină pozitivă.
Clorul are 5 electroni pe subînvelişul 3p şi poate accepa uşor un electron pentru a complecta
subînvelişul respectiv. După ce clorul ia un electron de la sodiu, atomul de clor devine încărcat
negativ şi va fi la fel ca elementul neutru cu deosebirea că are o sarcină negativă. Prin
transferarea electronului de la Na la Cl vor rezulta 2 ioni încărcați cu sarcini opuse Na+ şi Cl-
care se numesc cation şi respectiv anion.
În materialul solid NaCl, ionii Na+ şi Cl- sunt aranjați astfel ca fiecare ion să aibă în
apropiere un ion de polaritate opusă, pentru a se obține o energie potențială minimă. Deoarece
este o diferență de mărime între cei 2 ioni, iar pe de altă parte trebuie să se obțină o energie
potențială minimă pentru o configurație stabilă, fiecare ion poate să aibă 6 ioni de polaritate
opusă în apropiere.
7 | P a g e
Numărul de ioni vecini, care reprezintă numărul de coordonare, pentru ambii cationi şi
anioni din cristalul de NaCl este deci 6.
Clorura de sodiu sau sarea gema (NaCl) este o substanta ionica. Substantele ionice au
structuri cristaline ionice, adica in nodurile retelei sunt ioni retinuti prin forte electrostatice.
Reteaua clorurii de sodiu este cubica avand fete centrate si centrata intern. Adica, ionii de Na+
ocupa colturile si centrul fetelor unui cub, iar ionii de Cl─ ocupa muchiile si centrul cubului.
Retelele ionice sunt constituite din ioni pozitivi si negativi, coeziunea dintre acestia
fiind data de atractia electrostatica de natura columbiana. Substantele care formeaza retele ionice
la temperatura obisnuita sunt solide, in general incolore si transparente. Cristalele ionice sunt
solubile in apa (si alti solventi polari); ionii trec in solutie in stare hidratata (solvatata).
Substantele ionice conduc curentul electric numai in stare topita sau in solutie apoasa;
sunt electroliti. Solvatul (NaCl) fiind un compus ionic este alcatuit din ioni de semn contrar. Apa
este formata din molecule covalent polare (dipoli). Apa este un solvent polar. Intre ionii
solvatului se manifesta forte puternice de atractie electrostatica.
8 | P a g e
Intre moleculele polare de apa se exercita interactii slabe, legaturi de hidrogen. La
dizolvarea substantelor ionice in apa, moleculele solventului polar se orienteaza cu polii de semn
contrar spre ionii cristalului.
Interactiile dintre solvat si solvent sunt de tip ion-dipol; rezulta ioni hidratati, mobili.
Existenta ionilor mobili explica de ce solutiile apoase ale compusilor ionici conduc curentul
electric (sunt electroliti). In clorura de sodiu solida, ionii ocupa pozitii fixe si de aceea ea nu
conduce curentul electric. Solutia apoasa de clorura de sodiu contine ioni solvatati mobili; ea este
buna conducatoare de electricitate.
Numeroase materiale solide care sunt formate din metale şi nemetale sunt realizate pe
baza unei legături ionice la fel ca NaCl. Asemenea structuri se numesc cristale ionice şi prin
virtutea legăturii ionice comune au proprietăți fizice similare.
De exemplu LiF, MgO (magnetita), CsCl şi ZnS sunt cristale ionice. Acestea sunt
materiale: puternice, fragile, cu temperaturi ridicate de topire în comparație cu metalele.
Numeroase asemenea materiale devin solubile în lichide polare ca de exemplu apa. Deoarece to ți
electronii sunt prinşi în legături cu ionii situați în poziții rigide, nu există electroni liberi în jurul
atomilor ca în metale.
Prin urmare: materialele solide ionice sunt izolatoare. În comparție cu metalele şi cu
elementele formate prin legături covalente, solidele cu legături ionice au o conductivitate termică
redusă deoarece ionii nu pot transmite uşor energia de vibrație cinetică spre ionii vecini.
9 | P a g e
Legătura covalentă se realizează între atomi cu electronegativităţi mari şi cu diferenţa
între electronegativităţi mică sau egală cu zero, prin punerea în comun a electronilor impari
(neîmperecheaţi) ai atomilor care reacţionează. Dacă fiecare atom pune în comun câte un
electron se stabileşte o legătură simplă: Apă, Amoniac, Metan, Acid clorhidric, Clor, Hidrogen.
Dacă atomii îşi pun în comun, fiecare, câte doi electroni între ei se realizează legături duble cum
sunt cele din molecula de oxigen, de etenă, etc. Între atomii care îşi pun în comun, fiecare câte
trei electroni se stabilesc legături triple ca cele din molecula de azot, de acetilenă ş.a.
Numărul de electroni puşi în comun de către fiecare atom descrie multiplicitatea legăturii
covalente. Deci, legătura covalentă poate fi – din punct de vedere al multiplicităţii – simplă,
dublă sau triplă.
În unele cazuri numai unul dintre atomi îşi pune în comun cu alt atom o pereche de
electroni. Între aceşti atomi se realizează o legătură covalent coordinativă. Atomul care pune în
comun perechea de electroni se numeşte donor iar celălalt atom este acceptor. Asemenea tip de
legătură se întâlneşte în ionul de amoniu, NH4+ (N este atom donor, H+ este acceptor) şi în
combinaţiile complexe.
Legaturile covalente in molecula de apa
Moleculele covalente în care perechea de electroni de legătură este uniform atrasă de
atomii participanţi sunt molecule apolare (nepolare). Asemenea molecule sunt cele formate din
atomi de acelaşi fel (H2, O2, N2, halogenii) sau din atomi diferiţi dar care formează molecule
simetrice (CO2, CH4, CCl4).
10 | P a g e
Dacă perechea de electroni de legătură este deplasată mai mult spre unul dintre atomi (cel
cu electronegativitatea mai mare) moleculele sunt polare adică sunt dipoli.
Printre acestea se pot aminti monoxidul de carbon (CO), acidul clorhidric (HCl),