Caracteristicile Structurale Si Proprietatile Fizice Ale Substantelor

Embed Size (px)

Citation preview

Corelatia dintre caracteristicile structurale si proprietatile fizice la nivelul substantelor, prin prisma interdisciplinaritatii : Con inutul tiin ific al lec iilor de chimie este transmis cu eficien elevilor, dac se folosesc metodele cele mai accesibile, n care se face apel i la cuno tin ele dobndite de elevi la alte discipline, cel mai adesea fcndu-se trimiteri la matematic , fizic sau biologie. Red m n continuare cteva aspecte legate de justificarea unor propriet i fizice ale substan elor organice studiate, prin interdependen a cu structura chimic a acestora. In cazul substan elor, n general i, evident i n cazul substan elor organice, exist o strns leg tur ntre structura chimic i propriet ile lor. Astfel, cunosc ndu-se structura chimic , pot fi descrise propriet ile sale generale, sau invers, cunoscndu-se propriet ile generale, se poate stabili u or structura chimic . Cele mai multe substan e organice, excep ie f cnd s rurile acizilor organici, s rurile de alchil amoniu i cele de diazoniu, alcooxizi i fenoxizi, sunt formate din molecule ca unit i structurale ntre care exist leg turi fizice. Aceste leg turi determin o serie de propriet i fizice ale substan elor, cum ar fi: masa molecular , starea de agregare, punctul de topire, punctul de fierbere, duritate, densitate, solubilitate, conductibilitate, indice de refrac ie, activitatea optic , momentul de dipol Masa molecular , variaz n limite largi, fiind mai mare la substan ele lichide i solide i mic la cele gazoase. La nivelul seriei omoloage, masa molecular cre te odat cu cre terea num rului de atomi de carbon, trecndu-se de la gaze, spre lichide i apoi la solide. Starea de agregare, este determinat de t ria leg turilor dintre unit ile structurale (for a de interac iune) i implicit de gradul de aglomerare al acestor unit i. Aceste aspecte depind foarte mult de parametri fizici ai sistemului. Astfel, la gaze se consider c practic nu exist leg turi ntre particule i de aceea au gradul de aglomerare cel mai mic. La lichide, unde exist leg turi de hidrogen, dipol-dipol, sau van der Waals, gradul de aglomerare este mult mai mare, comparabil cu al solidelor, dar leg turile ntre particule sunt mai slabe dect la acestea. Solidele, prezint cele mai puternice leg turi care sunt metalice, ionice sau covalente. Anizotropia este caracteristica unei substan e de a nu avea acelea i propriet i fizice n toate direc iile i ea depinde evident de structura molecular i modul de formare a re elei cristaline. De exemplu, la grafit, structura acestuia stratificat , explic clivajul u or al cristalelor, duritatea mic (straturile plane de atomi se rup succesiv la forfecare) i propriet ile lubrefiante (straturile de atomi alunec u or, n raport cu cele vecine). Structura stratificat explic foarte bine anizotropia grafitului, adic varia ia enorm a anumitor propriet i cnd sunt m surate paralel cu axa c a cristalului, sau perpendicular pe ea (paralel cu axa a , adic cu planurile de atomi lega i covalent). Astfel, compresibilitatea liniar a grafitului, normal pe planurile de atomi, este de IO4-IO5 ori mai mare dect paralel cu planurile de baz . Conductibilitatea caloric , paralel cu planurile de atomi este de circa 200 de ori mai mare dect perpendicular pe ele. Conductibilitatea electric a grafitului este condi ionat de impurit i i se apreciaz c raportul anizotropic al conductibilit ii electrice n sensul axelor c i a este de circa 1:200. Punctul de fierbere, este dat de temperatura la care presiunea vaporilor de lichid, devine egal cu presiunea mediului ambiant. Aceia i factori care influen eaz topirea, sunt determinan i i n stabilirea punctului de fierbere. i n cazul vaporiz rii putem vorbi de un echilibru ntre faza lichid i cea gazoas , la temperatura de fierbere, precum i de absor ia unei c lduri latente de vaporizare, care are o expresie asem n toare cu cea de la topire.

In cele ce urmeaz , se redau sub form de reguli, unele generaliz ri stabilind rela ia ntre punctele de fierbere i structura moleculelor: a) In aceea i serie omoloag , punctul de fierbere cre te progresiv de la un termen la termenul superior (cu masa moleculara); b) Printre izomerii de caten , are punctul de fierbere cel mai nalt, izomerul cu catena normal i punctul de fierbere cel mai sc zut, izomerul cu catena cea mai ramificat . Ciclizarea, produce de multe ori o urcare considerabil a punctului de fierbere. Cicloalcanii fierb la temperatur mai nalt nu numaidect alchenele izomere cu ei, dar i dect alcanii normali cu acela i num r de atomi de carbon;

c) La izomerii de pozi ie din clasa compu ilor halogena i, a alcoolilor, a nitro-deriva ilor, a acizilor, etc, punctul de fierbere scade n ordinea: izomer primar > izomer secundar > izomer ter iar; d) Izomerii cis au de multe ori puncte de fierbere mai nalte dect izomerii trans. Se recunoa te o corela ie ntre momentul electric al moleculei i punctul de fierbere, tiut fiind c izomerii cis au, n general, momente electrice, mai mari dect izomerii trans. Din acela i motiv compu ii orto-disubstitui i ai benzenului au puncte de fierbere mai nalte dect izomerii lor meta- i para-disubstitui i; e) Izomerii cu mai multe duble leg turi n molecul au puncte de fierbere mai nalte dac prezint duble leg turi conjugate; Compu ii cu moleculele asociate (legaturi dipol-dipol, legaturi de hidrogen) au puncte de fierbere anormal de nalte. Printre compu ii din aceast categorie fac parte : alcoolii, fenolii, acizii, amidele i oximele; g) Compu ii cu molecule puternic polare, au de asemenea puncte de fierbere anormal de nalte, de i n cazul acestora nu sunt semne de asocia ie molecular . Duritatea este nesemnificativ n cazul substan elor organice, deoarece n general este destul de mic . Densitatea substan elor organice lichide i solide, de obicei este dat n raport cu cea a apei de 4C, fiind denumit densitate relativ i notat cu d. Solubilitatea reprezint cantitatea maxim de substan (solvat) care se dizolv n condi ii date de temperatur , ntr-un anumit volum de solvent. Ea este influen at de natura solvatului, natura solventului, temperatur , iar pentru substan ele gazoase i de presiune. Cnd solventul este apa, solvatarea poate fi explicat prin mai multe tipuri de interac iuni: a) interac iuni ion-dipol, care se ntlnesc la substan ele organice ionice i se explic prin realizarea unor leg turi ntre ionii de solvat i moleculele polare de solvent, care duc la desprinderea ionilor din re eaua cristalin i trecerea lor n solu ie. O men iune special trebuie f cut pentru moleculele s punurilor i detergen ilor ionici, la care molecula este format dintr-un rest hidrocarbonat nesolvabil i un ion solubil n ap ; b) interac iuni hidrofobe solvat organic-ap , care presupune o repulsie reciproc a moleculelor. Ele pot fi explicate prin faptul c ntre moleculele organice exist slabe atrac ii van der Waals, iar ntre cele de ap , leg turi de hidrogen puternice. c) interac iuni dipol-dipol, ce se ntlnesc la substan ele organice polare i care se explic prin formarea unor leg turi fizice ntre dipolii de solvent i solvat, care u ureaz solvatarea; d)interac iuni prin leg turi de hidrogen cu moleculele de solvent. i pentru a vedea mai bine leg tura dintre structur i propriet ile fizice i chimice ale substan ei, trebuie precizat c att interac iunile dipol-dipol ct i cele prin leg turi de hidrogen, scad pe m sur ce cre te restul hidrocarbonat al moleculei i de aceea solubilitatea substan elor organice scade cu cre terea catenei hidrocarbonate.

Conductibilitatea, ca i n cazul durit ii, este nesemnificativ n general fiind materiale dielectrice (izolatoare electric), avnd permitivitatea electric absolut apropiat de a aerului. Indicele de refrac ie pentru un compus organic, ca pentru orice substan , poate fi exprimat: n = sin i / sin r = vaer / Vlichid, n care i este unghiul de inciden (n aer), iar r este unghiul de refrac ie (n lichid). Structural, se constat c n este influen at de polarizare, care cre te cu att mai mult cu ct molecula este mai polarizat . Din aceast cauz substan ele organice nesaturate i cele care con in atomi grei sau cu electroni neparticipan i, sunt mai polarizate i au un n mai mare. Activitatea optic este proprietatea substan elor de a roti planul luminii polarizate, iar substan ele ere prezint aceast proprietate se numesc substan e optic active. O substan optic activ , prezint doi izomeri numi i enantiomeri sau antipozi optici, deoarece se comport ca imaginea fa de obiect, ntr-o oglind plan , fiind forme nesuperpozabile. Cei doi enantiomeri au acelea i propriet i chimice, dar rotesc planul luminii polarizate n sensuri diferite. Un amestec echimolecular din cei doi izomeri formeaz un racemic optic inactiv, n acest caz, manualul de chimie de clasa a XII-a ofer foarte multe exemple. Momentul de dipol, notat u este caracteristic substan elor formate din dou sarcini electrice de semn contrar, aflate la distan a d, una de alta i poate fi scris i = q x d , m rimea avnd valoarea m surat n unit i Debye. Moleculele simetrice i nepolare au i = 0, iar cele polare au i = 0. Polaritatea moleculelor este dat de polaritatea leg turilor covalente i de pozi ia relativ a lor n molecul . nsumarea momentelor de dipol ale leg turilor se face dup regula de compunere a vectorilor, a a cum se nva n clasa a IX-a la fizic i matematic , iar rezultanta exprim momentul de dipol al moleculei, valorile sale dnd informa ii foarte importante asupra structurii. Momentul de dipol d informa ii foarte importante asupra unor propriet i ale moleculelor organice, cum ar fi solubilitatea pe care am discutat-o mai sus, simetria sau asimetria moleculelor, reactivitatea unor grupe func ionale, etc. Fiind rezultanta nsum rii vectoriale a momentelor de leg tur , momentul electric global al unei molecule depinde, evident, ntr-o mare m sur , de simetria acesteia. Astfel, moleculele CO2 i CS2, de i compuse din leg turi polare, sunt nepolare, n timp ce molecule ca O3 , SO2 i NH3 au momente electrice diferite de zero, ceea ce dovede te c au forme angulare sau piramidale (molecula de NH3 este o piramid turtit cu o n l ime de 0,38A i unghiuri de valen de 107). Hidrocarburile saturate, indiferent dac au catene liniare, ramificate sau ciclice i indiferent de lungimea acestora, sunt nepolare, de i leg turile C-H din ace ti compu i (cu hibridizare sp3) posed un mic moment electric (circa 0,3 D, evaluat n spectrele n infraro u). Urmeaz de aici c momentele tuturor leg turilor C-H se compenseaz reciproc, chiar n moleculele cu simetrie redus . Acest fapt este o consecin a structurii tetraedrice a metanului. n aceast hidrocarbur , momentul unei leg turi C-H este compensat de momentele celorlalte trei leg turi C-H.