CUPRINS1. ATOMI. STRUCTURA ATOMIC. CLASIFICAREA ELEMENTELOR........81.1. DESCOPERIREA ELECTRONULUI...............................................................91.2. MODELUL STATIC AL ATOMULUI........................................................101.3.MODELUL PLANETAR AL ATOMULUI................................................111.4. CERCETAREA NVELIULUI ELECTRONIC CU AJUTORUL SPECTRELOR ATOMICE..................................................................................121.4.1. Spectrul atomului de hidrogen.................................................................131.5. MODELUL CUANTIC AL ATOMULUI DE HIDROGEN, DUP BOHR................................................................................................................151.5.1. Postulatele lui Bohr.............................................................................151.5.2. Calculul razelor orbitelor permise...........................................................161.5.3. Calculul caracteristicilor liniilor spectrale ale hidrogenului i interpretarea lor prin teoria lui Bohr..................................................................171.5.4. Explicarea spectrelor de raze X cu ajutorul teoriei lui Bohr...................191.6. MODELUL ATOMIC BOHR-SOMMERFELD..........................................211.7. STRUCTURA ATOMIC INTERPRETAT PRIN TEORIA MECANICII CUANTICE..........................................................................................................231.7.1. Apariia teoriei mecanicii cuantice..........................................................231.7.2. Atomul de hidrogen n concepia mecanicii cuantice..............................241.7.3. Relaiile de nedeterminare, reflectare obiectiv a caracterului und-corpuscul............................................................................................................251.7.4. Ecuaia de und a lui E. Schrdinger.......................................................261.7.5. Numere cuantice......................................................................................271.8. CLASIFICAREA ELEMENTELOR N SISTEMUL PERIODIC............311.9. OCUPAREA ORBITALILOR ATOMICI CU ELECTRONI...................33STRUCTURA NVELIULUI DE ELECTRONI A ATOMILOR..................332. MOLECULE. LEGTURI CHIMICE...............................................................362.1. LEGTURA IONIC (ELECTROVALENT)..........................................382.1.1. Teoria lui Kssel (1916)..........................................................................382.2. LEGTURA COVALENT........................................................................392.2.1. Teoria electronic a lui G.H. Lewis (1916) i I. Langmuir (1919)..........392.2.2. Combinaii complexe. Teoria coordinaiei..............................................412.2.3. Teoria mecanic cuantic a legturii covalente.........................................422.3. LEGTURA METALIC............................................................................592.4. LEGTURA DE HIDROGEN...................................................................602.5. LEGTURI PRIN FORE VAN DER WAALS.......................................623. TERMODINAMICA CHIMIC........................................................................633.1. NOIUNI DE TERMOCHIMIE...................................................................633.1.1. Cldura de reacie....................................................................................633.1.2. Legile termochimiei.................................................................................653.1.2.1. Legea egalitii numerice a cldurii de formare cu cea de descompunere....................................................................................................653.1.2.2. Legea constanei sumei cldurilor de reacie........................................65(Hess, 1840).......................................................................................................653.1.3. Importana biologic a fenomenelor termochimice.................................663.2. INTRODUCERE N TERMODINAMICA CHIMIC................................673.2.1. Principiul I al termodinamicii sau legea conservrii energiei.................683.2.2. Principiul II al termodinamicii.................................................................694. ECHILIBRE CHIMICE......................................................................................714.1. REACII REVERSIBILE I IREVERSIBILE...............................................714.2. DEMONSTRAIA CINETIC A ECHILIBRULUI CHIMIC....................724.3. LEGEA ACIUNII MASELOR...................................................................734.4. DEDUCEREA TERMODINAMIC A........................................................74CONSTANTEI DE ECHILIBRU........................................................................744.5. DEPLASAREA ECHILIBRULUI CHIMIC.................................................76PRINCIPIUL LUI LE CHTELIER...................................................................764.5.1. Influena temperaturii..............................................................................764.5.2. Influena presiunii....................................................................................764.5.3. Influena concentraiei.............................................................................775. SOLUII.............................................................................................................785.1. NOIUNI GENERALE................................................................................785.1.1. Dizolvarea................................................................................................785.1.2. Solubilitatea substanelor.........................................................................795.2. SOLUII IDEALE........................................................................................825.2.1. Osmoza. Presiunea osmotic...................................................................825.2.1.1. Legile presiunii osmotice......................................................................855.2.2. Urcarea punctului de fierbere i coborrea punctului de congelare al soluiilor (Ebulioscopia i crioscopia)...............................................................865.2.3. Presiunea de vapori a soluiilor. Legea lui Raoult...................................885.3. SOLUII DE ELECTROLII.......................................................................895.3.1. Anomalii observate n studiul mrimilor coligative................................895.3.2. Disociaia electrolitic.............................................................................905.3.3. Electrolii tari. Teoria lui Debye i Hckel..............................................936. ECHILIBRE IONICE..........................................................................................956.1. TEORII ASUPRA ACIZILOR I BAZELOR..............................................95REACII IONICE................................................................................................956.1.1. Acizi i baze n teoria disociaiei electrolitice.........................................956.1.2. Teoria transferului de protoni..................................................................966.1.3. Teoria electronic asupra acizilor i bazelor.........................................1006.1.4. Alte teorii acido-bazice..........................................................................1016.1.5. Teoria energo-structural a acizilor i bazelor.......................................1026.1.6. Ionizarea acizilor i bazelor slabe..........................................................1076.1.7. Legea diluiei.........................................................................................1086.2. IONIZAREA APEI...................................................................................1096.2.1. Produsul ionic al apei.............................................................................1106.2.2. Exponentul de hidrogen. Scara de pH a soluiilor.................................11146.3. ELECTROLII AMFOTERI (AMFIPROTICI).........................................1126.4. SRURI N SOLUIE................................................................................1146.4.1. Hidroliza srurilor..................................................................................1146.4.2. Soluii tampon........................................................................................1176.4.3. Electrolii greu solubili. Produs de solubilitate......................................1207. NOIUNI DE CINETIC CHIMIC. CATALIZA........................................1227.1. OBIECTUL CINETICII CHIMICE............................................................1227.2. VITEZA DE REACIE..............................................................................1227.3. ORDIN DE REACIE. MOLECULARITATE..........................................1257.4. FACTORII CARE INFLUENEAZ VITEZA DE REACIE................1287.4.1. Influena temperaturii............................................................................1287.4.2. Influena catalizatorilor. Cataliza...........................................................1317.4.3. Influena intermediarilor activi..............................................................1408. STAREA COLOIDAL A MATERIEI...........................................................1438.1. DEFINIREA STRII COLOIDALE..........................................................1438.2. CLASIFICAREA SISTEMELOR COLOIDALE.......................................1448.3. PREPARAREA SISTEMELOR COLOIDALE..........................................1478.3.1. Metode de purificare a coloizilor...........................................................1478.4. STRUCTURA MICELILOR COLOIDALI I SARCINA LOR................1488.5. PROPRIETILE SISTEMELOR COLOIDALE.....................................1508.5.1. Stabilitatea coloizilor.............................................................................1508.5.2. Proprieti electrice................................................................................1508.5.3. Proprieti optice i cinetice...................................................................1519. ELECTROCHIMIA.CONVERSIA ELECTROCHIMICDE ENERGIE.152OXIDARE I REDUCERE..................................................................................1529.1. NOIUNI INTRODUCTIVE......................................................................1529.2. CALCULUL COEFICIENILOR STOECHIOMETRICI.........................1549.3. POTENIAL DE OXIDO-REDUCERE.....................................................1549.4. ELECTROLIZA..........................................................................................1569.4.1. Reacii electrochimice la electrozi.........................................................1569.4.2. Relaiicantitative n electroliz............................................................1579.4.3. Aplicaii practice ale electrolizei...........................................................1589.5. SURSE CHIMICE DE CURENT...............................................................1609.5.1. Pile electrochimice primare...................................................................1609.5.2. Pile electrochimice secundare (acumulatoare)......................................1629.5.3. Pile de combustie...................................................................................17010. COROZIUNEA l PROTECIA METALELOR l ALIAJELOR MPOTRIVA COROZIUNII................................................................................17410.1. GENERALITI......................................................................................17410.2. Coroziunea chimic...................................................................................17510.2.1. Formarea peliculelor oxidice de coroziune...........................................................................175510.3. PROTECIA METALELOR IALIAJELOR MPOTRIVA COROZIUNII.....................................................................................................17810.3.1. Alegerea raional a materialelor de construcie a instalaiilor...........17910.3.2. Reducerea agresivitii mediului corosiv.............................................17910.3.3. Modificarea compoziiei materialelor metalice...................................18110.3.4. Aplicarea de depuneri i pelicule protectoare......................................18210.3.5. Factorii care influeneaz depunerile metalelor pe cale electrochimic..........................................................................................................................18311. capitolul...........................................................................................................190BIBLIOGRAFIE...................................................................................................1916PREFACHIMIA este una dintre tiinele fundamentale ale naturii.Avndcaobiect destudiusubstanelecareintrnalctuireacorpurilor precumi fenomeneleprincareacestesubstanesetransformnaltele, chimia permite att cunoaterea lumii care ne nconjoar ct i transformarea ei.De aceea, chimia este ntlnit n toate domeniile activitii umane, contribuind n mod direct la ridicarea pe o treapt superioar a civilizaiei. Orice progres realizat n domeniul chimiei se reflect n cele din urm n mbuntirea condiiilormaterialealeoamenilor. Nuexistramuraindustrieicaresnufie legat de aplicaiile chimiei, majoritatea bogiilor naturale fiind date n circuitul productiv prin intermediul chimiei.Generalizarea nproducie a cercetrii chimice i biochimice ce se vor obine revine i actualei generaii de studeni care trebuie s-i nsueasc temeinic cele mai noi cuceriri ale tiinei i tehnicii n domeniul specialitii lor. Ei trebuie scunoasc binenatura, proprietilemateriei vii i modul detransformarea substanelor n organismele vii. Pentru aceasta, ne-ampropus s tratmn prezentul manual noiunile fundamentale de chimie necesare studenilor din primul an de studii de la facultile nechimice cu profil biologic.Manualul este conceput pentru acoperirea disciplinei Chimie din planul de nvmnt deci, la volumul determinat de numrul de ore afectat acestei discipline. n consecin, materialul este prezentat ntr-un numr relativ redus de pagini raportat lavolumul imensdedateinformaionalepecareartrebui sle cuprind.Pentruaceastaa fost necesars se apelezei la fondulde cunotiine obinute n liceu, pstrndu-se astfel continuitatea.S-a pornit de la ideea de a forma la studeni o baz de cunotiine teoretice de chimie strns legate de necesitile practice ale cunoaterii organismelor vii. Au fost selectate dintr-un vast material pe care l pune azi la dispoziie chimia modern, chimia anorganic, chimia organic, chimia analitic i biochimia, numai acele noiuni care, prezentate metodic, de la simplu la complex, permit nsuirea acestei discipline i nelegerea altor discipline, crend astfel premisele ca viitorul specialist sfienarmat cutoatecunotiinelenecesarepentruaputeasatisface cerinele produciei.De asemenea, s-a urmrit ca prin intermediul acestui manual, s se formeze la studeni dorina de a pune n practic cele studiate, de a lucra n laborator, de a cerceta, deafi pasionai pentrudescoperireanoului, deaobinesoiuri noi de plante curandamente superioare, de a ti s modifice metabolismul plantelor pentru a le face mai rezistente la boli, la secet, la ger. Prin caracterul su complex, lucrarea este de un real folos studenilor de la facultiile agronomice (Agricultur, Horticultur) i de la seciile de Biologie, Ingineria Mediului, Tehnologia Prelucrrii Produselor Alimentare, Agromontanologie etc precum i specialitilor care lucreaz n laboratoare i n producia agricol.AUTORII71. ATOMI. STRUCTURA ATOMIC.CLASIFICAREA ELEMENTELOREtapele istorice ale dezvoltrii civilizaiei se confund cu etapele definirii i elucidrii noiunii de atomi cu istoria ntregii chimii, deoarece, aceast noiune face parte integrant din concepia despre structura materiei nc din antichitate i pn n prezent.Filozofii antici greci Leucip i Democrit au emis o teorie numit atomistic conformcreiamaterianuestedivizibillainfinitciexistolimitaacesteia. Particulelefoartemicicareatingaceastlimit, aufost numitedeeiatomi(gr. Atomos, cenusepoatedivide). Toi atomii sunt alctuii dinaceeai materie primar dar se deosebesc ntre ei prin dimensiuni, form i micare, iar corpurile se deosebesc ntre ele prin numrul, forma i modul cum sunt aranjai atomii din care sunt formate.Ideile acestor filozofi greci, expuse mai mult sub o form metafizic, speculativ i naiv (acizii neap pentru c atomii lor sunt ascuii, au epi) au fost reluatedectreM.V. Lomonosovlajumtateasecolului alXVIII-lea, dndu-se pentru prima dat o interpretare tiinific. El a enunat concepia sa molecular iatomist, conformcreiasubstanelesimplesecompundinparticulemateriale foarte mici, imperceptibile, pe care le-a numitelemente(atomii de azi), iar corpurile compuse, din particule complexe numite corpuscule (moleculele cunoscute azi).Aceast ipotez asupra structurii materiei a fost reluat i dezvoltat de J. Dalton la nceputul secolului al XIX-lea pentru a explica legile fundamentale de combinare a substanelor,legi descoperite n acea vreme. Dalton fundamenteaz deci noiunea de atom pe baze experimentale. Dup Dalton, toate corpurile sunt formate din particule foarte mici numite atomi, legai ntre ei prin fore de atracie. El consider ns c atomii au o structur omogen, sunt indivizibili i cu neputin de distrus. Atomii unui corp simplu sunt identici ntre ei, avnd aceeai mrime, greutate, culoareetc. Atomii diferitelorelemente(corpuri simple)sedeosebesc unii de alii prinaceste nsuiri. Deci,se cunosc atteafeluri de atomi cte elementeexist. Prinunireaatomilordetipdiferitrezultcorpuricompusecare sunt alctuite, considera el, din atomi compui (moleculele de azi). El nu a vzut ns diferena calitativ ntre atomii simpli i cei compui, nu i-a vzut pe ultimii ca o formaie calitativ nou ci ca o sum de atomi simpli ntr-o mbinare mecanic. Cu toat imperfeciunea ipotezei atomice a lui Dalton, n urma verificrilor ulterioare cu ajutorul metodelor fizice i chimice, s-a ajuns la concluzia c atomii exist n realitate, iar ipoteza atomic a devenit astfel teoria atomic.Noiunea de molecul, anticipat de Lomonosov, a fost clarificat n decursul secolului trecut paralel cu noiunea de atom. Astfel, A. Avogadro, pe baza legii lui Gay Lussac privind combinarea elementelor n stare gazoas, a ajuns la concluziacelementelecare, ncondiiiobinuiteseaflnstaregazoas, sunt formate din molecule biatomice. Ali mari chimiti ca S. Cannizzaro, A.M. 9Butlerov i D.I. Mendeleev au confirmat existena att a atomilor ct i a moleculelor ca particule distincte, componente ale materiei. Pe baza determinrii numrului lui Avogadro (numrul de molecule Nconinute ntr-un mol da gaz n condiii normale:N=6,02251023mol-1) s-a putut calcula masa unei singure molecule, a unui singur atom sau chiar dimensiunile acestora. n acest fel a fost fundamentat teoria atomo-molecular a materiei.Cercetrile experimentale ncepute la sfritul secolului al XIX-lea, au deschis seria descoperirilor care au dus la elucidarea structurii atomice, dovedindu-se astfel catomul nueste oparticulomogen, compact, impenetrabiliindivizibil, ci este o particul complex, format la rndul ei din mai multe alte particule.S-a stabilit astfel c n compoziia tuturor atomilor se afl aceleai particule care difer ns de la un atom la altul prin numrul i aezarea lor. n acest fel se poate nelege de ce exist asemnri i deosebiri ntre elementele chimice i cui se datorete posibilitatea de clasificare a acestora.nceleceurmeazseprezintprincipaleledescoperiri i teorii careau contribuit la cunoaterea structurii atomilor. 1.1. DESCOPERIREA ELECTRONULUIPrima dovad n demonstrarea divizibilitii atomilor i n elucidarea structurii lor a fost descoperirea electronului prin studiul razelor catodice care se formeaz n descrcrile electrice n gaze.Descrcrile electrice n gaze rarefiate realizate n tuburi catodice (tuburile Crookes) la tensiuni nalte de 50 000 voli i presiuni sczute de 10-2...10-3 torr au permis punerea n eviden a dou tipuri de raze: catodice i canal.Razele catodice constituie un flux de particule ncrcate cu sarcin negativ. Ele se deplaseaz de la catod spre anod i se propag rectiliniu n urma trecerii prin fantele 1 i 2 (fig. 1).Dac trec prin plcile unui condensator, sunt deviate spre placa pozitiv. Au proprietateadeacreaofluorescengalben-verzuiepeperetelefluorescent al tubului catodic. Deoarece natura razelor catodice nu se modific prin schimbarea metalului din care este confecionat catodul i nici prin schimbarea gazului din tub, s-atrasconcluziacparticulelencrcatecuelectricitatenegativdincaresunt alctuite, constituie un component comun al tuturor atomilor. S-a propus ca aceste particulessenumeascelectroni. Razelecatodicesunt alctuitedinelectronii care prsesc catodul i din electronii atomilor gazului din tub smuli prin ionizare n urma ciocnirilor cu o parte din electronii ce provin din catod.10Figura 1. Tub catodic de descrcri n gaze rarefiateDup descoperirea electronului, au fost determinate i calculate principalele sale caracteristici: masa (m), sarcina (e) i sarcina specific (e/m).Astfel J.J. Thomson(1897)adeterminat sarcinaspecificaelectronului (sarcina unittii de mas sau raportul e/m):e/m = 1,758791011 Ckg-1Cunoscnd raportul e/m s-a calculat masa de repaus a electronului:m = 9,10810-31 kg, de unde rezult c electronul are o mas de 1837 ori mai mic dect masa atomic absolut a hidrogenului care este de 1,6710-27 kg.n ceea ce privete dimensiunile electronului, se consider c raza sa este de aproximativ 100 000 ori mai mic dect raza atomilor.Razele anodicesau canal(fig. 1.) se deplaseaz de la anod spre catod, au sarcin pozitivipot fi deviate deplacanegativ a unuicondensator.Elesunt alctuite din resturile atomilor de gaz care au pierdut electroni (sunt ioni gazoi pozitivi).Dac n calea razelor catodice se pune o plac subire metalic, rezult al treileafascicul deraze, numiterazeX. Spredeosebirederazelecatodicesau anodice, acestea nusunt deviate ncmpelectric saumagnetic avndnatura electromagnetic asemntoare cu natura luminii.1.2. MODELUL STATIC AL ATOMULUIDup descoperirea electronilor s-a pus problema aranjrii acestora mpreun cu sarcinile pozitive n interiorul atomului, ceea ce a dus la elaborarea mai multor modele atomice.Primul model elaborat de J.J. Thomson (1898) explica n modstatic aezarea electronilor n atom. Dup acest model, atomul are forma unei sfere n 11care sarcinile electrice pozitive repartizate uniform sunt neutralizate de un numr egal desarcini electricenegative(electroni) aezai dupvrfurileunor forme geometrice regulate. Acest model static a cedat curnd locul unor modele dinamice.1.3.MODELUL PLANETAR AL ATOMULUIFolosind razele (ioni de He2+) emise de elemente radioactive, Rutherford (1911) a msurat devierile acestora la trecerea prin foie metalice foarte subiri (fig. 2) i a constatat c cea mai mare parte a radiaiilor trec nedeviate (ca i cum ar trece printr-un spaiu gol), un numr mic de particule sunt deviate sub diferite unghiuri, iar oparte nensemnatsuntntoarsedincalea lor sau deviate sub un unghi foarte mare. Rezult c n atomi majoritatea spaiului este gol, motiv pentru care majoritatea particulelor trec nedeviate. Particulele care sunt deviate trec prin imediatavecintateaunorcentre(nuclee)grelencrcatecuunnumrmarede sarcini pozitive (fig. 3).Figura 2. Difuzia particulelor printr-o foi metalic12Figura 3. Traiectoriile hiperbolice ale particulelor care trec prin vecintatea unui nucleu.Sunt ntoarsedincalealor aceleparticulecaresedeplaseazpedirecia nucleelor atomilor dinfoaiametalic. Pebazaexperienelor sale, Rutherforda propusprimul modeldinamicalatomuluinumitmodelulplanetarinspirndu-se dup sistemul solar. Dup acest model, atomul este alctuit dintr-un nucleu central n jurul cruia se nvrtesc electronii pe orbite circulare la distane mari de nucleu, ntocmai ca planetele n jurul soarelui.S-a calculat c raza unui nucleu este n jurul a 10-15 m n timp ce un atom are raza de aproximativ 10-10m (sau 1). Numrul electronilor este egal cu numrul sarcinilor pozitivedinnucleui corespundecupoziiaelementului nsistemul periodic.Astfel, numrul de ordine Z capt o semnificaie fizic.Cercetrileulterioareauconfirmat ngeneral aceastimagineastructurii atomului i au permis determinarea numrului de ordine Zpe cale experimental pentru o serie de metale.Cu ajutorul modelului planetar al lui Rutherford s-au explicat unele comportri aleatomilorlegatedeproprietilelormagnetice, opticei chimice. Acest model nuaputut explicansspectreledelinii aleatomilor, absorbiai emisia de energie, fenomene legate strns de dispunerea stratificat a electronilor n rotirea lor n jurul nucleului.1.4. CERCETAREA NVELIULUI ELECTRONIC CU AJUTORUL SPECTRELOR ATOMICESpectrele atomilor reflect direct modul n care se face absorbia i emisia energiei de ctre atomi, ceea ce duce la obinerea de date referitoare la structura nveliului de electroni, stabilindu-se c electronii sunt aranjai n straturi i substraturi.Astfel, dacntr-untubCrookessesupunedescrcrilorelectriceungaz, acesta va emite o gam larg de radiaii avnd diferite lungimi de und. Analizate cu un aparat numit spectrograf,aceste radiaii apar sub forma unui numr de linii ce constituiespectrul de linii al atomilor gazuluirespectiv, sauspectrul atomic. Apariia acestui spectru se datorete faptului c atomii aflai n tub, fiind bombardaicu electroniiemii de catod, absorbenergiei trec n stare excitat, stare n care ei se afl un timp foarte scurt (10-7 s) revenind n starea iniial, starea fundamental, prin emisia energiei absorbite sub form de radiaii. Acestea, analizate cu spectrograful, apar sub forma liniilor amintite.Un spectru de linii este format dintr-un numr de linii spectrale caracterizate prin lungimea de und i frecvena . ntrei exist relaia = c/ , c fiind viteza luminii n vid. Liniile spectrale se grupeaz n serii spectralecare se situeaz n diferite regiuni ale spectrului ( liniile ce compun o serie se noteaz cu , , ...). O serie spectral este caracterizat de numrul de und , 4prin care se nelege reciproca lungimii de und (1/ ) sau numrul de lungimi de und pe centimetru liniar de spectru (10-2 m): = 1/ /c10-2 m-1

(1.1.)1.4.1. SPECTRUL ATOMULUI DE HIDROGENn cazul hidrogenului, spectrul n domeniul vizibil (370- 700 nm) este format din circa 40 de linii ce constituie seria lui Balmer. Acolo unde nu se mai disting linii, spectrul delinii transformndu-se nspectru continuu(fig.4),apare limita seriei (LS).Figura 4. Spectrul atomului de hidrogen (seria lui Balmer).Lungimile de und pentru fiecare linie din seria amintit se pot calcula cu ajutorul formulei lui Balmer: 1]1

222n121R1(1.2.)unde n2>2 (ia valorile 3, 4, 5...) iar R este constanta lui Rydberg (R=1,0967758107 m-1).Spectrul hidrogenului conine pe lng seria Balmer i alte patru serii asemntoare. Astfel, o serie este situat la lungimi de und mai mici n domeniul ultraviolet (sub 350 nm) i poart numele de seria Lyman, iar alte trei serii numite Paschen, Brackett i Pfundsunt situatendomeniul infrarou(peste700nm). Formula general a seriilor spectrale este urmtoarea:1 222212221,T TnRnRn1n1R1 1]1

(1.3.)n care n1 ia valori de la 1 la 5 pentru fiecare serie n ordinea : Lyman (n1=1), Balmer (n1=2), Paschen (n1=3), Brackett (n1=4), Pfund (n1=5) iar n2 > n1. n aceast 5formul, T2i T1constituietermeni spectralii anume, T2este termen constant (acelai pentru fiecare serie) iar T1 termen curent (se modific pentru fiecare linie din serie).Fiecrui termen spectral i corespunde un anumit nivel de energie al atomului. Astfel, un electron situat ntr-un atom aflat n starea fundamental, ceea ce corespunde termenului spectral cucea mai mic valoare energetic, poate absorbi energie trecnd la un nivel energetic superior. Cnd electronul trece de la un nivel superior de energie E2 la unul inferior E1, atomul emite energia absorbit E2-E1sub form de lumin. Din studiul spectrului hidrogenului, rezult deci c n atomi exist niveluri de energie discrete, iar trecerea atomilor de la unnivel energeticlaaltul areloccuemisiesauabsorbiedeenergie. Pentrunelegerea mecanismului acestor fenomene se d n continuare teoria cuantic i aplicarea ei de ctre Niels Bohr la elaborarea unui nou model atomic.1.5. MODELUL CUANTIC AL ATOMULUI DE HIDROGEN, DUPBOHRNiels Bohr (1913) elaborareazun nou model atomic pornind de la legile fizicii clasice, folosindu-sedeteoriacuanticaluminiialui MaxPlanki de teoria efectului fotoelectric, elaborat de Albert Einstein.Teoria cuantic asupra luminii a fost elaborat de Max Plank (1900) pentru explicarea distribuiei discontinue a energiei n spectrul radiaiei corpului negru.Noileobservaii experimentalenuseputeauinterpretacuajutorul teoriei ondulatorii a luminii care explica numai unele fenomene ca propagarea, difracia, interferena i polarizaia luminii.Conform teoriei cuantice,lumina prezint caracter discontinuu,corpuscular. Ea este absorbit sau emis de corpuri n mod discontinuu deoarece esteformatdincorpusculi (gruni)delumindemrimedeterminat, numite cuante de lumin sau fotoni a cror energie este: h En care h = 6,625610-34Js i poart numele de constantalui Plank, iareste frecvena radiaiei de mas m = h /c2 i impuls p=mc=h/ .Dup Einstein (1905), cnd se produce un schimb de energie ntre o particul (atom sau molecul) i o radiaie electromagnetic (lumin) de frecven , variaia energiei particulei este dat de relaia: h E(1.4.)Unul din primele fenomene care au putut fi interpretate prin teoria cuantelor a fostefectul fotoelectric extern. Acest efect const n emisia de electroni, numii fotoelectronide ctre unele foie metalice fotosensibile sub aciunea luminii. Ecuaia efectului foto-electric dat de Einstein (1905) este:42v mE h2i+ (1.5.)n care Eieste energia de ionizare necesar pentru a scoate electronul din metal iar mv2/2 este energia cinetic cu care electronul prsete metalul.1.5.1. POSTULATELE LUI BOHRPentru a pune de acord modelul planetar al lui Rutherford cu teoria cuantelor, Bohr a enunat dou postulate care stau la baza noului su model atomic, modelul atomic al lui Bohr, aplicabil numai atomului de hidrogen i ionilor hidrogenoizi (mono-electronici).Postulatele lui Bohr se enun astfel:1. Electronul se rotete n jurul nucleului atomic numai pe anumiteorbite numite orbite staionare sau permise corespunztoare unor stri bine determinate i constantealeenergiei atomului (stri staionare). nasemeneastri, atomul nu emite i nuabsoarbe energie. Valorile energiei atomului n aceste stri sunt cuantificate, adic pot varia numai discontinuu (de ex. E1, E2, E3...En).2. Atomul poate emite sau absorbi energie radiant numai atunci cnd trece dintr-ostare staionarnalta. Astfel, cndatomul absoarbe energie, ceea ce corespunde trecerii sale nstare excitat, electronul sutrece de pe oorbit inferioar, mai apropiatdenucleu, peoorbitsuperioarmai ndeprtatde nucleu. Dupuntimpfoartescurt (10-8s), electronul revineprinsalt peorbita staionar iniial elibernd o cuant de energie. Energia cuantei emise sau absorbiteesteegalcudiferenadintreenergiastrii finaleE2i iniialeE1a atomului: h E E E1 2(1.6.)1.5.2. CALCULUL RAZELOR ORBITELOR PERMISEPe baza unor consideraii pur mecanice, Bohr a reuit s calculeze n cadrul teoriei sale razele orbitelor permise. n atomul de hidrogen, asupra electronului de mas m care se rotete n jurul nucleului cu viteza v pe o orbit circular de raz r, acioneazdouforeegalei desemncontrar: foracentrifugF1i forade atracie coulombian F2 dintre electronul negativ i nucleul pozitiv.Fora centrifug F1 care caut s ndeprteze electronul de nucleu, este dat de relaia:rv mF21(1.7.)5iar fora de atracie electrostatic dintre electron i nucleu este dat, conform legii lui Coulomb, de relaia:222reF (1.8.)Cele dou fore fiind egale, rezult:22 2rerv msau 2 2e r v m (1.9.)Pentru calculul razelor Bohr s-a folosit i demomentul cantittii de micare a electronului n rotaia sa n jurul nucleului.Este cunoscut c produsul mv constituie cantitatea de micare, iar 2 mvr momentul cantittii de micarea electronului pentruntreaga orbit numit i moment de rotatie sau moment unghiular.Conform ipotezei lui Bohr, sunt permise numai acele orbite al cror moment de rotatie este un multiplu ntreg (n) al constantei lui Plank adic: 2hn r v m nh r v m 2 (1.10)n numindu-se numr cuantic principal.Aceast condiie impus arbitrar de Bohr constituie un postulat adiional i poartnumeledecondiiadecuantificare amomentului cantitii demicare (orice mrime fizic ce poate primi numai anumite valori, discontinue este cuantificat).Ridicnd la ptrat relaia (1.10) rezult:222 2 2 24hn r v m(1.11)iar prin mprirea relaiei (1.11) la relaia (1.9) se obine valoarea razei:2 22 222 2 2e 4h nr v mr v m(1.12)sau:m 10 529 , 0 nme 4h nr10 22 22 2 (1.13)Dac se nlocuiete n cu valorile 1, 2, 3...se obin razele orbitelor permise electronului n atomul de hidrogen. Pentru primele trei raze se obin valorile:5 r1 = 0,52910-10 m; r2 = 2,1210-10 m; r3 = 4,7710-10 m(1.14)1.5.3. CALCULUL CARACTERISTICILOR LINIILOR SPECTRALE ALE HIDROGENULUI I INTERPRETAREA LOR PRIN TEORIA LUI BOHRAl doileasucces imediat al teoriei lui Bohr afost calculareafrecvenei liniilor spectrale ale atomului de hidrogen.Se consider c energia total a electronului Etotaflat pe o orbit staionar este egal cu suma energiei cinetice Ec i energiei poteniale Ep.Valorile acestor energii sunt:2v mE2c ireE2p (1.15)Din relaia (1.9) prin nmulire cu r i mprire la 2 rezult:2v mre212 2 (1.16)sau innd seama de (1.15):p cE21E (1.17)Deci:

p p p c p totE21E21E E E E + sau re21E2tot (1.18)nlocuind r cu valoarea sa din relaia (1.13), se obine energia unei orbite permise:2 24 2nh nme 2E unde n = 1, 2, 3 ... (1.19)Notndu-se cu E1 i E2 energiile atomului cnd electronul acestuia se afl pe orbitacunumrulcuanticn1i respectivpeceacunumrul cuanticn2, energia emis de atom la saltul electronului de pe orbita cu n2 pe cea cu n1 este, dup Bohr, egal cu h . Deci:1]1

1]1

222124 22 214 22 224 21 2n1n1hme 2h nme 2h nme 2E E h` (1.20)Cum:7c1;c' rezult:1]1

1]1

2221222134 2n1n1Rn1n1chme 2 1'(1.21)unde factorul comun R reprezint constanta lui Rydberg i este alctuit la rndulei dinuneleconstantenaturalefundamentale. Prinnlocuireaacestoracu valorile lor, Bohr a calculat valoarea constantei R pe care Balmer a obinut-o din msurtori experimentale (1885).Este de menionat c relaia (1.21) este un caz particular al relaiei generale:1]1

22212n1n1RZ1(1.22)aplicabil spectrelor ionilor hidrogenoizi (unielectronici): He+, Li2+, Be3+..., Z fiind numrul atomic al elementului cercetat.Cu ajutorul teoriei lui Bohr se poate interpreta spectrul optic al hidrogenului. Seriilespectraledescrisemai sus(v. 1.4.1) sedatoresctranziiilor electronilor, adic revenirii lor de pe un nivel energetic superior pe altul inferior dup excitarea atomului. Ori decteori electronii sufertranziii depenivelesuperioarepe nivelul n1, avnd numrul cuantic principaln=1, se emit radiaii din seria Lyman (nivelul corespunztor numrului cuantic principal n=1 constituie stratul K) (v. fig. 5). Atunci cnd tranziiile de pe nivelele superioare se fac pe nivelul cu n=2, apar linii n seria Balmer (stratul cu n=2 s-a numit nivel sau strat L) i aa mai departe, stratul cu n=3 s-a numit strat M, apoi N, O, P i Q.9Figura 5. Seriile spectrale ale atomului de hidrogen dup Bohr.Termenul n2este variabil ntr-oserie i indic nivelul de pe care sare electronul pentru a reveni din starea excitat n starea iniial.Atunci cndelectronul estesmulsi proiectat lainfinit ( 2n)nurma unei excitri puternice a atomului, termenul curent al liniei din formula (1.21) se anuleaz, iar noua relaie:2121nR RnR' (1.23)caracterizeaz limita seriei (L.S.). Limitele seriilor spectrale au urmtoarele valori: R (Lyman), R/4 (Balmer), R/9 (Paschen), R/16 (Brackett) i R/25 (Pfund).1.5.4. EXPLICAREA SPECTRELOR DE RAZE X CU AJUTORUL TEORIEI LUI BOHRTeoria lui Bohra permis explicarea spectrelor de raxe X ale elementelor. Razele X (v. 1.1) sunt radiaii electromagnetice care au aceeai natur ca lumina ns lungime de und mai mic (0,01-10 nm). Eleseobinprinbombardareacuunfascicol derazecatodice(electroni) asupra unui anticatodconfecionat dintr-unmetal sauocombinaieasa greu fuzibil.Elementul din care este confecionat metalul emite raze X (Rentgen-1895) subaciuneafascicolului deelectroni. Suntcunoscuteproprietiledeosebiteale acestor radiaii de a strbate cu uurin prin foie metalice, sticl i alte materiale, de a ioniza aerul, de a distruge bacteriile i de a avea un efect mutagen producnd mutaii biochimice i anomalii n diviziunea celular.3Analizndspectrele de raze Xale diverselor elemente, H.G.J. Moseley (1913) a constatat c acestea sunt surprinztor de simple. Ele sunt formate ca i n cazul spectrelor optice, din mai multe linii notate cu , , etc., grupate n serii care se noteaz prin K, L, M, N, O, P, n ordinea descresctoare a frecvenelor. Seria K, cea mai simpl, are numai dou linii caracteristice K i K, fiecare fiind formatdindouliniiapropiate(dublet). Comparndspectrelecaracteristiceale elementelor succesive n sistemul periodic, se observ o deplasare a frecvenei unei linii din aceeai serie n direcia frecvenelor mari odat cu creterea numrului de ordine (atomic) al elementelor.Pe baza acestei observaii Moseley a stabilit n mod empiric (1913)o relaie conformcreiardcinaptratafrecventei sauanumrului deund variaz liniar cu numrul atomic Z.Pentru elementele cu Z > 10 relaia are forma:( ) a Z b' (1.24)n care a i b au valori constante cnd se trece de la un element la altul i valori variabile cnd se trece de la o serie la alta. n figura 6 se reprezint variaia liniar pentru fiecare serie atunci cnd se ia pe ordonat ' i pe abscis Z.Interpretarea spectrelor de raxe X cu ajutorul teoriei lui Bohr a fost dat de N. Kossel. Electronii din tuburile Crookes care bombardeaz suprafaa metalului au o energie suficient de mare pentru a ptrunde profund n straturile electronice ale atomilor metalici expulznd electronii chiar din straturile cele mai apropiate de nucleu. Locurile devenitevacante sunt ocupate imediat printranziiile electronilor aflai n straturile cu energie mai mare. Aceste tranziii electronice sunt nsoite de emisii de cuante X. Astfel, cnd este expulzat un electron situat n stratul K, locul lui se poate ocupa de electroni din straturile L, M, N sau O nct, n spectru apar liniile stratului K. Liniile spectrelor de raze X, n deplin concordan cu legea lui Moseley, pot fi caracterizate printr-o relaie analoag celei utilizate de Bohr:( )22221'a Zn1n1R11]1

(1.25)n care R este constanta lui Rydberg, n1i n2sunt aceleai numere cuantice ca n relaia (1.21), Z este numrul atomic al elementului din care este confecionat anticatodul, iar a constituie o constant de ecranare indicnd numrul de electroni situai ntre nucleu i stratul electronic din care a fost expulzat electronul. Pentru prima linie a primei serii K (deci linia K) a unui element cu numr atomic Z, ecuaia (1.25) ia forma:5 ( ) ( )2 22 21 Z4R 31 Z2111R ' 1]1

(1.26)de unde rezult c relaia (1.25) devine egal cu (1.24) cnd:22221bn1n1R 1]1

Figura 6. Variaia liniar a lui Z n funcie de ' n spectrelede raze X.Modelul atomic al lui Bohr a constituit un pas serios n elucidarea structurii atomice. El a permis interpretarea unor rezultate experimentale importante, printre care, aa cum s-a artat mai sus, spectrul atomilor hidrogenoizi, spectrele de raze X, potenialele de ionizare ale unor atomi hidrogenoizi, fundamentarea teoretic a formulei empirice a lui Balmer etc. Cu toate aceste succese, modelul atomic al lui Bohr i teoriasacuanticasupraatomului dehidrogens-audovedit dinmulte puncte de vedere imperfecte. O serie de critici aduse teoriei lui Bohr se refereau n principal la introducerea cu totul arbitrar de ctre acesta a cuantificrii momentului cantitii de micare a electronului i a orbitelor staionare, precum i a lipsei de radiaii electromagnetice a electronului care graviteaz n jurul nucleului de-a lungul aceleiai orbite staionare. Orice ncercare de a extinde teoria lui Bohr 7asupra atomilor cu mai muli electroni a dat gre, iar numrul liniilor spectrale s-a dovedit a fi mult mai mare dect prevedea teoria.1.6. MODELUL ATOMIC BOHR-SOMMERFELDCriticileaduse modelului atomical lui Bohr l-audeterminat peArnold Sommerfeld (1916) s perfecioneze acest model considernd c electronul poate descrienrotaiasanjurul nucleului nunumai orbitestaionarecirculareci i orbite staionare eliptice.Sommerfeld e extins teoria lui Bohr la orbite eliptice pentru a pune de acord aceast teorie cu numeroasele rezultate experimentale obinute n acel timp, printre caredescoperireastructurii finealiniilor spectrale. Deaceea, modelul atomic Bohr-Sommerfeld este un model atomic Bohr mbuntit. S considerm o orbit eliptic descris de un electron n micarea sa n jurul nucleului (fig. 7).ntr-unul din cele dou focare ale elipsei se afl nucleul. Poziia electronului este n funcie att de raza vectoare r, egal cu distana variabil electron-nucleu, ct i cu orizontul determinat de unghiul pe care l face raza respectiv cu axa ox nct apar dou condiii de cuantificare.Figura 7. Orbit elipticDe aceea, Sommerfeld a introdus dou numere cuantice:numrul cuantic azimutal ni numrul cuantic radial nr. Momentul cantitii de micare a electronului pe orbita eliptic se numete moment cinetic i el poate fi descompus n dou componente: una de-a lungul razei vectoare r (moment cinetic radial) i alta perpendicular pe aceasta(moment cinetic orbital).Condiiadecuantificare pentru momentul cinetic radial este dat de integrala:maxminrrr rh n dr p(1.27)4iar pentru momentul cinetic orbital, de integrala: 20h n d p(1.28)Deoareceprinrotireaelectronului cuununghi 2 traiectoriasenchide, rezult c periodicitatea este concomitent att pentru ct i pentru r nct se pot aduna relaiile (1.27) i (1.28) ntr-o singur integral:( ) ( )h n n dr p d pr r+ + (1.29)n care n + nr = n poart numele de numr cuantic principal. Cnd n = nr , semiaxa mare a este egal cu semiaxa mic b, iar orbita staionar este circular.n modelul atomic Bohr-Sommerfeld, unei orbite staionare cu numr cuanticprincipal ni corespund(n-1) orbitestaionareeliptice. Aceastadenot existena unor substraturi electronice n alctuirea unui strat. S-a ajuns la concluzia c numrul cuantic azimutal sau orbital, care cuantific momentul cinetic orbital, s se noteze nu prin nci prin l n care l ia toate valorile ntregi de la 0 la n-1.TeoriaBohr-Sommerfelds-adovedit nscurt timpimperfectprin incapacitatea ei de a explica o serie de noi observaii experimentale. Astfel, ea nu puteaexplicadedublareaunor linii spectralencmpuri magnetice(efectul P.Zeeman)sau n cmpuri electrice (efectul J. Stark), ca i interpretarea spectrelor atomilorcumaimulielectroni. Cutoateacestea, noulmodelatomicaexplicat complexitatea liniilor spectrale att prin existena orbitelor staionare eliptice ct i prinvariaiacuvitezaamasei electronilor, potrivit relativitii restrnsealui Einstein. Deasemenea, aceastteorieapermissseprevaduneleproprieti magneticealeatomilor. Astfel, electronul, prinmicareasanjurul nucleului, poatefi echivalat cuunmiccurent circular caretrebuiesgenerezeuncmp magnetic.S-a dovedit c momentul magnetic al unui electron n micarea sa pe orbitesteomrimecuantificati esteegalcuunmultiplual unui moment magnetic elementar numit magneton Bohr notat cu 0:10G erg 273 , 9mc 4eh (1.30)n care e este sarcina electronului, m- masa de repaus a electronului iar c- viteza luminii n vid.Alt contribuie a acestui model a fostprevederea efectului izotopicn spectrele atomice. Deoarece constanta lui Rydberg depinde de masa nucleului, la izotopul maigreual elementului detiphidrogenoid, liniileapardeplasatectre frecvene mai marifa deliniile izotopului mai uor.Deaceea,pentru izotopi, constanta h capt valori puin diferite.Caracterul limitat al teoriei cuanticesedatoretemai ales faptului ca ncercat s mpace electrostatica i electrodinamica clasic cu postulatele cuantice. 4Legileelectrodinamicii nusunt aplicabile proceselor intraatomice. Numai prin descoperireateoriei mecanicii cuantices-apuscapt contradiciilor dintre fizica clasic i teoria cuantelor.1.7. STRUCTURA ATOMIC INTERPRETAT PRIN TEORIA MECANICII CUANTICE1.7.1. APARIIA TEORIEI MECANICII CUANTICENeajunsurile teoriei cuantice au fost nlturate odat cu apariia teoriei mecanicii cuantice (1924). La baza acestei teorii st extinderea ideii caracterului dublu de corpuscul i und al luminii la particulele elementare n micare, respectiv la electroni.Fizicianul francez Louis de Broglie, creatorul acestei teorii, a artat c exist o analogie perfect ntre proprietile electronilor i cele ale cuantelor de lumin, prin asocierea unei unde electronului n micare. El a pornit de la relaiile ce leag energia E a unui foton de frecven i masa sa: E = h i E = mc2. Deci:h = mc2Simplificnd cu c, se obine:mcch sau mch(1.31)de unde,mch (1.32)n care h este constanta lui Plank, m- masa fotonului i c- viteza sa.Aceast relaie valabil pentru fotoni a fost extins electronului sau oricrei alte microparticule, obinndu-se relaia lui de Broglie:v mh (1.33)unde m este masa electronului, iar v- viteza sa. Relaia scoate n eviden att caracterul corpuscular al electronului ct i caracterul su ondulatoriu punndu-se astfel bazele unei noi teorii, teoria mecanicii cuantice sau ondulatorii.Conform relaiei (1.33) orice particul de mas m n micarea sa posed o und a crei lungime de und crete cu scderea masei.Considernd micarea electronului n jurul nucleului dup o traiectorie circular i admind c n deplasarea sa i se asociaz o und staionar, lungimea de und a undei asociate trebuie s aib o anumit valoare nct distana parcurs 2 r, s fie un multiplu ntreg n al lungimii de und de Broglie (fig. 8):52 r = n (1.34)Prin nlocuirea valorii lui din (1.33) rezult:v mhn r 2 (1.35)Din relaia (1.35) se obine:nh r v m 2 sau 2hn r v mceea ce verific condiia de cuantificare dat de Bohr (v. 1.5.2).Figura 8. Unda electronic staionar (unda de Broglie n atomul de hidrogen).De aici concluzia c atunci cndatomul se afl ntr-ostare energetic staionar nu sunt posibile orice orbite electronice ci numai orbite al cror moment al cantitii de micare mvr prezint un multiplu ntreg de h/2 . Aceast condiie de cuantificare impus de Bohr sub form de postulat, decurge aici din proprietile ondulatorii ale electronului. Ulterior, s-a dovedit experimental caracterul ondulatoriu al electronului prin experiene de difracie electronic (C. Davisson i L.H. Germer - 1927, G.P. Thomson - 1928).Nouateorieamecanicii cuanticebazatperelaialui deBroglieafost dezvoltat de Werner Heisenberg, Erwin Schrdinger, P.A.M. Dirac, Max Born, W. Pauli etc.1.7.2. ATOMUL DE HIDROGEN N CONCEPIA MECANICII CUANTICEAa cum s-a artat, la baza teoriei mecanicii cuantice st concepia despre dualitatea und-corpuscula particulelor elementare printre care i electronul. n micarea sa n jurul nucleului, oricrui electron i se asociaz o und avnd = h/mv.6n cadrul noii teorii, imaginea asupra rotirii electronului n atomul de hidrogen difer substanial fa de teoria Bohr-Sommerfeld n care, drumul parcurs deelectronpoatefi asemnat cutraiectoriaunui satelit nmicareasanjurul pmntului.Dupnouateorie, electronul, deplasndu-senjurulnucleuluicuovitez foartemare, seaflntr-unintervalscurtdetimppracticnoricepunct alunei regiuni sferice, a crei raz nu este riguros egal cu 0,529 10-10 m.n acest fel, mecanica cuantic d termenului de orbit un alt sens dect celpecarel-aavutnteorialuiBohr. Dupnouateorie,orbitasautraiectoria electronului capt sensul unei regiuni (sfere) n jurul nucleului, n care electronul se gsete n medie cel mai frecvent. Se nlocuiete noiunea de orbit electronic cu noiunea de nor electronic, iar densitatea maxim a norului este concentrat n interiorul acestei zone la distana de 0,529 10-10m i scade brusc ctre interior i exterior. Deci, datorit micrii rapide a electronului, sarcina sa electric poate fi reprezentat ca fiind difuzat n jurul nucleului ntr-un nor de electricitate negativ, iarprobabilitateadeexistenaelectronului estemaximacoloundedensitatea norului este mai mare. Prinurmare, chiar electronul numai este privit ca o particul punctiform, ci ca un nor difuz de sarcini.Mecanica cuantic ia n considerare distana medientre electron i nucleu ca i viteza medie a electronului deoarece aceste mrimi nu sunt riguros constante. Ca valori medii, ele sunt identice cu cele calculate de Bohr.1.7.3. RELAIILE DE NEDETERMINARE, REFLECTARE OBIECTIV A CARACTERULUI UND-CORPUSCULDei caracteristiciledecorpuscul i undsunt cutotul contradictorii, ele constituie o realitate dovedit experimental. n camera Wilson, electronii se comport ca nite corpusculi care se deplaseaz pe anumite traiectorii n timp ce la trecerea lor prin foie microcristaline dau inele de interferen ca nite unde. De la un fenomen la altul apare mai pregnant fie caracterul corpuscular fie cel ondulatoriu. Oricum, prinproprietilelor, electronii trebuieprivii caavndo naturunitarceeacenseamnc, nrealitate, ei nusunt nici corpusculi, nici unde, sau mai exact sunt i una i alta. Dar acest fapt creeaz dificulti n interpretarea posibilitii de determinare simultan cu exactitate a orbitei i vitezei acestor particule subatomice, ajungndu-se la constatarea c nu se pot aplica la fenomenele atomice concluziile desprinse din studiul fenomenelor macroscopice.Pentru rezolvarea acestui impas, W. Heisenberg (1927) stabilete relaiile de nedeterminare (de incertitudine) conform crora poziia i viteza electronilor i a oricror corpusculi atomici nu pot fi determinate concomitent i cu precizie nelimitat. Astfel, prinlocalizareaprecisapoziiei electronului, vitezadevine nedeterminat iar prin determinarea vitezei, poziia devine nedeterminat. Dac se consider x eroarea de determinare a unei coordonate de poziie x, iar p eroarea de determinare a impulsului (p = mv), produsul celor dou erori 5nu tinde ctre zero niciodat, ci capt o valoare de ordinul de mrime al constantei lui Plank:

h p x (1.36)Dinaceastrelaiemai rezultcatunci cnd xscademult, creten aceeai msur p i invers.nlocuind p cu mv rezult:h mv x sau mhv x (1.37)relaie care scoate i mai bine n eviden acest principiu al nedeterminrii.Este de menionat c relaiile de nedeterminare nu trebuie nelese ca fiind o expresie a imperfeciunii posibilitilor noastre de cunoatere a fenomenelor sau ca un rezultat al imperfeciunii aparaturii de msurat. Relaiile de nedeterminare scot n eviden fenomenul incertitudinii existent n mod obiectiv prin nsi caracterul dualist al particulelor subatomice. Proprietile corpusculare ale acestor particule limiteaz n mod logic proprietileondulatoriii invers, datorit caracteruluilor complementar.Astfel, dac localizm electronul ntr-un punct nu putem face acelai lucru cu o und care prin natura sa are o ntindere.Dificultile de interpretare a relaiilor de nedeterminare n studiul micrii electronilor sunt evitate de mecanica cuantic prin trecerea la considerarea statistic a strii electronice.Acest fapt adus nmodinevitabil lainterpretri probabilisticeadicla estimareaprobabilitii ca electronul sseafle n anumite condiii la un anumit timp, ntr-un anumit spaiu.1.7.4. ECUAIA DE UND A LUI E. SCHRDINGERnmecanicacuantic, electronii caresedeplaseaznjurul nucleului n spaiul tridimensional secaracterizeazcuajutorul unei funcii matematicenumitfuncie de und, dependent de coordonatele spaiale i de timp:(x,y,z,t).Considerndcel mai simplusistemchimic, atomul dehidrogencompus dintr-un proton cu sarcina +1 i un electron cu sarcina -1, pentru unda tridimensional asociat electronului n micare este valabil ecuaia de und a luiSchrdinger (1926) n care apare funcia de und ca o msur a amplitudinii undei electronului n orice punct al spaiului n jurul nucleului:

( ) 0 V Ehm 8z y x22222222 + + + (1.38)6naceastrelaieEreprezintenergiatotalaelectronului, V-energiasa potenial, iar (E - V) -energia cinetic.Teoria ecuaiilor cu derivate pariale arat c aceast ecuaie nu are soluii dect pentru anumite valori ale energiei E numitevalori proprii, care reprezint energiile electronului nstrile sale staionare. Aceasta corespunde cuprimul postulat al lui Bohr i capt astfel n mecanica ondulatorie o semnificaie matamatic. Dacseineseamac esteofunciecomplex, osemnificaie fizic poate avea numai ptratul ei,2, care indic densitatea norului electronic ntr-unanumit punct al spaiului definit princoordonatelesale. Mrimea2dv indic probabilitatea de a ntlni electronul ntr-un anumit element de volum dv din vecintatea nucleului (Max Born-1926).Aceastecuaiealui E. Schrdinger estedeoimportanfundamental pentru mecanica ondulatorie. Soluiile obinute prin rezolvarea ei pentru valorile proprii ale energiei poart numele de soluii orbitale sau simplu orbitali. De aici i funcia de und ce caracterizeaz un anumit electron se numete funcie de und orbital. S-a convenit s se nlocuiasc noiunea de orbit cu noiunea de orbital pentru a face distincie ntre imaginea de orbit (ca simpl traiectorie n teoria lui Bohr) i noiunea echivalent din mecanic cuantic, ca zon ce nconjoar nucleul i n care are acces electronul. Numrul de soluii matematice ale ecuaiei de und este egal cu n2, n fiind numrul cuantic principal. Astfel, pentru n = 1 exist 12 respectiv o singur soluie, pentru n = 2 exist 22 adic 4 soluii orbitale etc. Atunci cnd n > 1, pentru a deosebi orbitalii ntre ei, se folosesc alte trei numere cuantice care vor fi descrise n continuare.1.7.5. NUMERE CUANTICEDefinirea strii energetice a atomului, respectiv caracte-rizarea strii electronilor ntr-unatomsefacecuajutorul apatruparametrii numii numere cuantice.Numrul cuantic principal, n,cunatific momentul cinetic total sau unghiular al electronului (v. 1.5.2) i caracterizeaz nivelele principale de energie din atom sau straturile (nveliurile) de electroni. n cazul rotaiei dup o elips, n este nlegturcusemiaxa mareaelipsei. El poateluavalorile1, 2, 3,...ce corespund nivelelor K, L, M, N, O, P, Q. Pe planeta noastr nu exist atomi cu n > 7.Numrul cuanticsecundar(azimutal sauorbital)notat cul, cuantific momentul cinetic orbital (v. 1.6), determin forma elipsei (fig. 9) i caracterizeaz substraturile de electroni care alctuiesc un strat. 7Figura 9. Forma elipsei determinat de numrul cuantic azimutal (pentru acelai numr cuantic principal)Valorile energetice ale momentului cinetic orbital nu pot fi dect un multiplu ntreg de h/2adic:2hlncarelpoateluatoatevalorilentregi dela0lan-1. Substraturilese noteaz cu s, p, d, f i corespund la valorile lui l = 0, 1, 2, 3. Astfel, substratul cu l = 0 se numete substrat s, cel cu l = 1 substrat p, l = 2 substrat d, l = 3 substrat f etc.Numrul cuantic magnetic, m,indic numrul de orbitali dintr-un substrat i caracterizeaz starea electronilor n cmpuri magnetice. Electronii, gravitnd n jurul nucleului atomic, reprezint nite cureni circulari care, dup electrodinamica clasic, sunt echivaleni cu cte un mic magnet ce pot fi caracterizai prin momentul magnetic. Rezultanta vectorial a momentelor magnetice corespunztoare tuturor orbitalilor constituie momentul magnetic total al atomului.nabsenaunui cmpexterior, direciamomentului magnetical atomului poatefi oarecareastfel nct nuesteinfluenat coninutul sunenergie. Dac atomul este pus ntr-uncmpmagnetic exterior, acesta exercit oaciune de orientare asupra momentului magnetic n raport cu cmpul magnetic perturbator, ceea ce facecaliniilespectrale aleelementului respectiv s prezinteo structur fin(fiecarelinie apareformat dinmai multelinii foarte apropiate). Aceste observaiiauduslaconcluziactrebuiesseintroducncunnumrcuantic pentru cunoaterea mai exact a strii energetice din atomi. Astfel, atomii care au unsingur electronseorienteaznaafel ncmpul magneticnct proiecia momentului cinetic orbital al electronului (lh/2 ) pe liniile de for ale cmpului s fie un multiplu ntreg de h/2adic:2hm3unde m este numrul cuantic magnetic. n figura 10 se prezint direciile de orientarealemomentului cantitii demicareorbitalpentrul=3, cndmia valorile +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 adic (2l + 1) valori. n acest fel se scot n eviden orbitalii existeni n atom prin ridicarea degenerrii acestora (orbitalii degenerai sunt orbitalii careauenergieegal). Numrul deorbitali dintr-unsubstrat este determinat denumrul devalori alenumrului cuanticmagnetic, pentrufiecare valoare a lui l n parte.Astfel, unui substrat cu numr cuantic secundar l, i aparin(2l + 1) orbitali care pot lua toate valorile cuprinse ntre -l i +l,trecnd prin zero:( -l., 0, +l)Figura 10. Proieciile momentului cinetic orbital pe direcia cmpului magnetic exterior determin valorile numrului cuantic m pentru l = 3.De exemplu: substratulsavnd l= 0 are un singur orbital deoarece mia o singur valoare: m = (2l + 1)orbitali =20+1=1 orbital. Valoarea acestui orbital este zero. El se numete orbital s i are o simetrie sferic, nucleul atomic aflndu-se n centrul sferei.Deoarece, substratulsaparentoatestraturileelectroniceavnddiferite valori n, la notarea lui se menioneaz i valoarea numrului cuantic principal (de exemplu orbitali 1s, 2s - fig. 11).Figura 11. Orbitali s: a - orbital 1s; b - orbital 2s.5Substratulpavnd l=1, are3orbitalideoarece: 2l+1=21+1=3. Valorile lui m pentru cei trei orbitali sunt: m = -1, 0, +1. Configuraia orbitalilor p este bilobar, norul electronic fiind deopotriv distribuit n cei doi lobi (fig. 12).Figura 12. Repartizarea norului electronic n orbitalii p.Cei trei orbitali p sunt orientai de-a lungul axelor de coordonate x, y, z ca n figura 13 (orbitalii px, py, pz).Figura 13. Orientarea n spaiu a orbitalilor p.ntabelul1seprezintnumruldeorbitaliisimbolurileacestorapentru primele patru straturi electronice.Tabelul 1Orbitali atomici ai primelor patru straturi electroniceStratuln = 1, 2, 3...Substratull = 0,1,2...n-1Orbitaliim = 2l + 1Valorile luimSimbolulorbitalilorn = 1(K) l = 0 1 orbital s 0 1sn = 2(L) l = 0l = 11 orbital s3 orbitali p0-1, 0, +12s2pn = 3(M) l = 0l = 11 orbital s3 orbitali 0-1, 0, +13s3p3l = 2 p5 orbitali d-2, -1, 0, +1, +2 3dn = 4(N) l = 0l = 1l = 2l = 31 orbital s3 orbitali p5 orbitali d7 orbitali f0-1, 0, +1-2, -1, 0, +1, +2-3,-2,-1,0,+1,+2,+34s4p4d4fOrbitalii d sunt tetralobari ca n fig. 14.Figura 14. Configuraia unui orbital d (dxz).Numrulcuanticdespin,s.Pelngrotaiasaorbital, electronulareo micare de rotaie n jurul axei proprii, ca o sfrleaz. Aceast ipotez a fost fcut pentru prima dat de G. Uhlenbeck i S. Gaudsmit (1925), iar micarea de rotaie a cptat denumirea de spin de la cuvntul englez to spin care nseamn a toarce. Rotaiapoateavealocnumai ndoufeluri, ceeacecorespundeladoustri identice, dar de sens opus. Pentru caracterizarea acestor dou stri, s-a introdus un nouparametru, numrul cuantic despins, carepoate lua dou valori:t 1/2. Semnul se refer la sensul de rotaie, nelegnd c atunci cnd axa spinului este paralel cu axa de rotaie n jurul nucleului, s = +1/2, iar cnd este antiparalel cu aceasta, s = -1/2.1.8. CLASIFICAREA ELEMENTELOR N SISTEMUL PERIODICDimitri Ivanovici Mendeleev a realizat clasificarea elemen-telor n sistemul periodic n anul 1868 prin niruirea acestora n ordinea crescnd a maselor lor atomice i aezarea n aceeai coloan a elementelor cu proprieti asemntoare.Aceast clasificare a fost confirmat printre altele de structura electronic a atomilor. Locul unui element n sistem, notat cu un numr numit numr de ordine Z, este egal cu numrul de electroni din atom. Ulterior, datorit caracterului neutru 3al atomului, s-a dovedit c numrul de sarcini negative (electroni) din atom este egal cu numrul de sarcini pozitive (protoni) din nucleu. Deci numrul de ordine Z este egal cu numrul de protoni din nucleul atomic, fapt pentru care s-a numit i numratomic. Odatcualctuireasistemului periodic, Mendeleevadescoperit legea periodicitiicare a fost formulat ulterior astfel:proprietile elementelor sunt funcii periodicealenumrului loratomic. Aceastlegeesteconsecina revenirii periodicelaconfiguraii electroniceasemntoarepestratul exterioral atomilor.Considernd electronul care se adaug de la un element la altul ca electron distinctiv, elementele se clasific azi n trei categorii (tab. 2):a) Elemente reprezentative (nemetale i cele cu caracter net metalic) la care electronul distinctiv se adaug pe un nivel din ultimul strat.b) Elemente de tranziie(metale grele), la care electronul distinctiv se adaug pe un nivel din penultimul strat.c)Lantanidelei actinidele,lacareelectronul distinctivseadaugpeun nivel din antepenultimul strat fa de stratul de valen.Tabelul 2.Clasificarea periodic a elementelor n funcie de poziia electronului distinctiv n nveliul de electronia) Elemente reprezentative (nemetale i metale tipice)IaIIaIIIaIVaVaVIaVIIa VIIIa1 1H 2He2 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne3 11Na12Mg13Al 14Si 15P 16S 17Cl18Ar4 19K 20Ca 31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr5 37Rb38Sr 49In 50Sn51Sb52Te53I 54Xe6 55Cs56Ba 81Tl 82Pb83Bi 84Po85At86Rn7 87Fr 88Rab) Elemente de tranzitie (metale grele)IIIbIVbVb VIb VIIb VIIIb IXbXb IbIIb4 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn26Fe 27Co28Ni29Cu30Zn5 39Y 40Zr 41Nb 42M 43Tc 44R 45R 46P 47A 48C3o u h d g d6 57La72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os77Ir 78Pt 79Au80Hg7 89Ac104Ku105Hnc) Lantanide (Z = 58-71) i actinide (Z = 90-103)658Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu790Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103LrCele109cunoscuteazi sunt aezatensistemul periodicnapteiruri orizontalenumiteperioadei n18coloaneverticalenumitegrupedupcum urmeaz: elementele reprezentative sunt aezate nopt iruri verticale (grupe) notate cu cifre romane de la Ia la VIIIa , elementele de tranziie sunt aezate nzece coloane verticale numerotate cu Ib - Xb, iar lantanidele cuprinse ntre Z = 58-71 i actinidele ntre Z = 90-103, sunt scrise n partea de jos a sistemului periodic.Elementele din aceeai subgrup au proprieti asem-ntoare, de exemplu subgrupa metalelor alcaline (Ia), a halogenilor (VIIa) sau a gazelor rare (VIIIa).Numrul elementelor dinperioadei proprietilelor diferfoartemult. Astfel, n perioada 1 exist numai dou elemente (H i He), n perioadele 2 i 3 cte 8 elemente, n perioadele 4 i 5 cte 18, n perioada 6 un numr de 32, iar n ultima perioad exist tot 32 de elemente din care se cunosc pn n prezent 24. Perioadele 1, 2 i 3 se mai numesc iperioade scurte, avnd un numr redus de elemente, n timp ce perioadele 4, 5, 6, 7 se numescperioade lungi. Se observ deci c numerele de elemente din perioade se afl ntre ele n raporturile: 2 : 8 : 18:32...adic212:222:232:242, regularitatecedecurgedinnumrulde electroni care formeaz straturile electronice.Proprietile fizice i chimice ale elementelor variaz ntr-o anumit ordine, attngrupecti nperioade. Astfel, valenamaximfadeoxigenvariaz periodici estedat, cumici excepii, denumrul grupei dincarefaceparte elementul. Valena fa de hidrogen a elementelor reprezentative crete de la 1 la 4 pentruprimelepatrugrupe(estedatdenumrul grupei)iardelacinci laopt scade, fiind dat de diferena dintre opt i numrul grupei.Electronegativitateaelementelor (msurat prin afinitatea fa de electroni) scade n subgrupe de sus n jos i crete n perioade de la stnga la dreapta.Oserie de proprieti fizice ale elementelor ca volumul atomic, razele atomice i ionice, potenialele de ionizare, spectrele optice, punctele de topire i de 3fierbere ale elementelor etc., sunt de asemenea funcii periodice ale numrului lor atomic.1.9. OCUPAREA ORBITALILOR ATOMICI CU ELECTRONI.STRUCTURA NVELIULUI DE ELECTRONI A ATOMILORn cazul atomilor mai grei dect hidrogenul, orbitalii atomici sunt constituii dup aceleai reguli ca i la atomul de hidrogen. Ocuparea cu electroni a acestor orbitali se face respectnd urmtoarele principii:a) Nivelurile energetice n atomi se ocup cu electroni n ordinea crescndaenergiei lor. Dinfigura15rezultcseocupmai nti orbitalul 1s apoi 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p etc.b) Principiul de excluziune al lui Pauli(1925).Un orbital poate fi ocupatde cel mult doi electroni caracterizai prin spin opus (electroni cuplai). Acest principiu mai poate fi formulat i astfel: ntr-un atom nu pot exista doi electroni cu toate numerele cuantice identice, ei vor avea cel puin un numr cuantic diferit.c) RegulaluiHund(1925)Aceastregulsereferlaocupareanivelelor energetice degenerate, adic a substraturilor cu mai muli orbitali identici. n asemenea substraturi se ocup fiecare orbital cu cte un electron pn se capt o multiplicitate maxim (maximul posibil de electroni necuplai, impari) dupcaresecompleteazcual doileaelectron(se mperecheaz). Nu ncepe completarea unui substrat superior pn ce nu s-acompletat substratul inferior. Aezareastratificataelectronilorse reflect n configuraia electronic.Configuraia electronic aatomilorsedescrieprinindicarea numrului de electroni alturi de simbolurile fiecrui tipde orbital nordinea crescnd a energiei i folosind numerele cuantice n i l.4Figura 15. Ordinea crescnd a nivelelor energetice n atom.Pentru hidrogen, singurul su electron aflndu-se n orbitalul 1s configuraia electronic este H(1s1).La heliu,al doilea electron ocupacelaiorbital dnd o configuraie stabil de dublet, deci He(1s2). Al treilea electron al litiului nu mai poate intra n orbitalul 1sdin primul strat astfel nct ncepe ocuparea celui de-al doileastrat cuorbitalui 2s. Deci litiul areconfiguraiaelectronicLi(1s22s1). Pentru c fiecare element dintr-o perioad prezint structura electronic a gazului monoatomic (gaz rar) cucare s-a ncheiat perioada anterioar, se poate scrie formula configuraiei electronice utiliznd simbolul gazului inert: Li(2He, 2s1). Pentru primele dou perioade se prezint n tabelul 3 succesiunea ocuprii straturilor, substraturilor i orbitalilor atomici cuelectroni, precumi formula configuraiei electronice a elementelor respective. Pentru fiecare perioad ocuparea straturilor, substraturilor i orbitalilor cu electroni se face astfel:1: 1s1-2 2He2: 2He 2s1-2, 2p1-6 10Ne3: 10Ne 3s1-2, 3p1-6 18Ar4: 18Ar 4s1-2, 3d 1-10, 4p1-6 36Kr5: 36Kr 5s1-2, 4d 1-10, 5p1-6 54Xe6: 54Xe 6s1-2, 5d 1, 4f 1-14, 5d 2-10, 6p1-6 86Rn7: 86Rn 7s1-2, 6d 1, 5f 1-14, 6d 2-10, 7p1-6 Tabelul 3Succesiunea ocuprii cu electroni a orbitalilor n primeledou straturi (perioade)Elemen-tulZStrat K(n = 1)Strat L (n = 2) Formulaelectronic2s2px 2py2pz3H11s1He21s2Li3 1s22s1Be4 1s22s2B5 1s22s22p1C6 1s22s22p2N7 1s22s22p3O8 1s22s22p4F9 1s22s22p5Ne310 1s22s22p6Este de remarcat c fiecare perioad se termin cu un element monoatomic (gaz rar) cu configuraii electronice stabile pe ultimul strat i anume configuraie de 2 electroni n cazul heliului (dublet stabil) i de 8 electroni, octet stabil, n cazul celorlalte.Deoarece nivelul 4seste foarte apropiat n energie de nivelul 3d, la subgrupa VIb elementul Cr prezint o excepie avnd configuraia 4s1 3d5 n loc de 4s23d4ceea ce conduce la un numr de 6 orbitali monoelectronici cu implicaii deosebite n proprietile cromului n aliaje i anume rezisten deosebit la agenii chimici motiv pentru care n industria chimic se utilizeaz numai aliaje cu crom. Asemenea excepie este general i pentru Mo i W, din aceeai subgrup, molibdenul utilizndu-senaliajeextremderezistentelacompresiuni mari iar wolframul este elementul cu cele mai ridicate puncte de topire i de fierbere. i elementeledinsubgrupelevecine(sgr. VIIbi Vb) posedunnumr marede electroni necuplai ceea ce le confer proprieti fizice excepionale n utilizarea lor ca aliaje. Astfel Mn se afl aliat cu Fe n inele de cale ferat rezistente la presiuni mari iar vanadiul se ntrebuineaz la fabricarea oelurilor rapide pentru cuitele de strung sau la aliajele de Cr-Vpentru fabricarea diferitelor scule. Excepii asemntoare ncaregsimunsingur electronnsubstratul 4sntlnimi la subgrupa Ib (Cu), la care al doilea electron completeaz substratul 3d9 la 3d10 nct noua configuraie 4s13d10i confer acestui element o stabilitate mult mai mare, fapt observabil n special la perioada 5 i 6 a acestei subgrupe (Ag, Au) care sunt metale nobile, rezistente la agenii chimici.Existialte excepii maipuinsemnificativela perioadele6 i 7la care unul dinelectronii6s2, respectiv7s2seaflnsubstratul 4f, respectiv5f. Tot datorit tendinei de stabilizare n starea fundamental, elementul paladiu are ambii electroni 5sn substratul 4dnct configuraia 5s24d8devine 5s04d10ceea ce i confer acestuia rezisten mare la agenii chimici.2. MOLECULE. LEGTURI CHIMICENoiuneademoleculafost introdusnchimielancepu-tul secolului trecut de Amedeo Avogadro pentru a explica legea lui Gay Lussac de combinare a elementelor n stare gazoas.Avogadro considera c moleculele sunt particulele cele mai mici n care se pot divizatoatecorpurilei carepot existaindependent. Deci, oricesubstan simpl sau compus este format din molecule care sunt ultimele particule la care se poate ajunge prin mijloace fizice de descompunere. Aceste molecule, numite de el integrate, pot fi divizate n dou sau mai multe particule mici pe care le-a numit molecule elementare (atomii de azi).Aceast teorie a structurii moleculare a materiei nu a fost acceptat dintr-o dat, Dalton i Berzelius considernd c nu pot exista molecule formate din atomi identici. Numai princercetrilechimistului italianS. Cannizzaro, laCongresul3international de la Karlsruhe(1860) s-a hotrt definitiv diferenierea noiunilor deatomi molecul, aacumlecunoatemazi.Moleculelesunt celemaimiciparticule dintr-osubstantcare pstreazpropriettilesubstantei i care pot existanstareliber.Elesuntformatedinatomi. Astfel, moleculadeap, este alctuit din atomi de oxigen i hidrogen. Dac se descompun moleculele de ap n atomi, acetia vor avea proprieti cu totul diferite de ale apei.Deci moleculele substanelor compuse (combinaiile chimice) sunt formate din cel puin doi atomi diferii.Atomii sunt n continu micare i ei se pot rupe din moleculele n care se gsesc pentrua se uni (combina) cuali atomi ca s formeze molecule noi. Proceseledecombinareaatomilor poartnumeledereactii chimice. Reaciile chimice rezult deci, din modul i tendina diferit a atomilor de a se grupa pentru a forma molecule.Formarea moleculelor din atomi are loc dup anumite legiti descifrate n parte nc de chimia clasic. ntre molecule se manifest fore de atracie sau de respingere. Datoritaciunii acestorfore, substaneleprezintstri deagregare diferite.Cunoscnd compoziia chimic a substanelor simple i compuse, se poate preciza c substanele simple sunt alctuite dintr-un singur fel de atomi i reprezint forma de existen a elementelor n stare liber (fierul, sulful etc.).Proprietile fizice i chimice ale moleculelor depind de felul atomilor constitueni i a legturilor chimice care i unete. Din timpurile cele mai ndeprtate s-a cutat s se explice felul i intensitatea forelor de legtur cu ajutorul crora s se interpreteze proprietile substanelor compuse.Berzelius (1812) aartat ctoatecombinaiilechimicesedatorescunei atracii electrostatice ntre atomi. Conform teoriei sale electrice sau dualiste, exist dou feluri de elemente i anume, electropozitive i electronegative, din care cauz se atrag. Aceast concepie nu difer mult de concepiile moderne asupra compuilor ionici. Eansnupoateexplicaexistenamoleculelor formatedin atomi identici ca H2, N2, O2 sau majotitatea compuilor organici care sunt formai din atomi din aceeai categorie a lui Berzelius (electronegativi).Dumas (1834) acutat sexpliceacestenepotriviri dndonouteorie numit teoria unitar, admind c un atom dintr-o categorie a lui Berzelius poate fi nlocuit cu un atom din cealalt categorie fr s schimbe caracterul de ansamblu al combinaiei. Aceasta nseamn c legtura dintre atomi n astfel de compui nu este de natur electrostatic ci se datorete unor fore chimicede natur nedefinit cum le-a denumit el.Meritul de a interpreta pe baze electronice natura covalent a legturii ionice revinelui W. Kossel, G.W. Lewisi A. Magnus (1916), iar G.N. Lewisi I. Langmuir(1917)auexplicat peacleai bazelegturacovalent. Dupzeceani (1927) apareteoria mecanic-cuanticacovaleneielaborat deW.Heitler iF. London i dezvoltat de L. Pauling, J.C. Slater, F. Hund, E. Hckel .a.4Exist trei tipuri principale de legturi chimice:legtura ionic (electrovalent), legturaatomic(covalent) i legturametalic, la care se adaugi alte tipuridelegturimaislabe ntremolecule ianume:legtura de hidrogen i legtura prin fore van der Waals. n toate tipurile de legturi chimice, foreledelegturdintreatomi sunt deorigineelectric, electronii periferici ai atomilor jucnd rolul de baz. Realizarea legturii se face prin modificarea strii unuia sau mai multor electroni, adic prin transferarea total sau parial a electronilor de la un atom la altul astfel nct, noua aranjare a electronilor s dea naterelaunsistemmai stabil, energiamoleculei fiindmai micdect suma energiilor atomilor componeni luai individual.Deci, descrierea unei legturi ntr-o molecul const n studiul noii distribuii a electronilor periferici ai atomilor ce se unesc.42.1. LEGTURA IONIC (ELECTROVALENT)2.1.1. TEORIA LUI KSSEL (1916)Conform acestei teorii, atomii tind s piard sau s ctige electroni pentru a cpta o structur electronic stabil de tip gaz rar, iar ionii formai se atrag pe baza legii lui Coulombformndcombinaii ionice. Elementeleai cror atomi cedeaz electronii de valen, devenind ioni pozitivi, sunt situate n partea stng a sistemului periodic, n primele grupe (metale alcaline etc.). Ele au elctronegativiti mici i prezint un potenial de ionizare mic. Elementele cu electronegativiti mari ai cror atomi primesc electroni devenind ioni negativi se gsesc n partea dreapt a sistemului (nemetalele-halogenii).Exemplificnd formarea legturii ionice la NaCl, se poate arta c are loc transferul unui electron de la Na la Cl urmat de atracia electrostatic dintre ionii de Na+ i Cl- formai:Na 1e Na+Cl + 1e Cl Na+ + Cl Na+ClValena ionilor n cazul combinaiilor ionice este dat de numrul de electroni cedai sau acceptai de atomul neutru.Legtura ionic nu este o legtur rigid, fiecare ion pozitiv este nconjurat deioni negativi i invers. Poziiaionilorunii fadealiinuestefix. nstare topit sau n soluii, ionii se mic liber, independeni. n stare solid ei sunt aezai nmodregulatformndreelecristalineionice. Laacestesubstanenusepoate vorbi de molecule ci de perechi de ioni (NaCl prezint i n stare gazoas perechi de ioni).Combinaiile ionice se deosebesc de alte tipuri de combinaii prin proprietile lor. Sunt substane solide, au punctul de topire ridicat (NaCl se topete la801oC) i conduccurentul electricntopituri soluiedeoarece naceste condiii se desfac n ioni. De aceea, substanele ionice se mai numesc i electrolii.Ionii sunt ngeneral mai stabili dect atomii dincareprovin. Stabilitatea scade ns pe msur ce crete diferena dintre numrul sarcinilor nucleare (Z) i numrul de electroni dinnveli. Deaceea, cei mai stabili sunt ionii pozitivi monovaleni, apoi, mai puin stabili sunt ionii di- i respectiv trivaleni, iar ionii tetravaleni, acolo unde exist, sunt cei mai instabili. Dintre ionii negativi cei mai stabili sunt ionii monovaleni n timp ce ionii bi- i trivaleni nu se gsesc dect n stare solid.Concepia lui Kossel a rmas valabil i azi fiind confirmat de numeroase date experimentale.inndseamadetendinaatomilordeaceda, respectivaprimi electroni pentruaformaconfiguraii stabile, sepoategeneralizai prezentaurmtoarea ordinedescresctoareastabilitii ionilor formai nfunciedeconfiguraialor electronic:31s2 ns2 np6 ns2 ns2 np6 nd10 (He)(Gaz rar)(Dublet) (18 electroni)De exempluLi+(1s2) cel mai stabil, apoi Na+(He, 2s22p6), sauCl-( Ne, 3s23p6), urmeazSn2+(Kr, 5s24d10)sauPb2+(Xe, 6s25d104f14)cuconfiguraiede dublet pe ultimul strat i n sfrit Ag+( Kr, 4d10) sau Cu+( Ar, 3d10) cu configuraie de18electroni, ncarecelor 10electroni 4drespectiv3dli seadaugcei 8 electroni 4s2 4p6 respectiv 3s2 3p6.Principalii factori care determin natura legturii chimice n general i deci a legturii ionice sunt: energia de ionizare, afinitatea pentru electroni, dimensiunea i valena ionilor precum i polarizabilitatea lor, adic proprietatea ionilor de a-i deforma nveliul electronic sub influena sarcinilor de semn opus.Energiadeionizareaatomilor (saupotentialul deionizare) exprimatn electroni voli eV/atom sau electron, a fost definit ca fiind energia ce se consum pentruscoaterea dinatomaunuia saumai multor electroni. Aceast mrime determinat cu precizie prin metode spectroscopice, scade n grupe de sus n jos pe cndsarcinanuclearaatomilor, respectivnumrul atomicZ, crete. Cuunele excepii explicate prin structura electronic a atomilor, energia de ionizare crete n perioade, cele mai mari valori gsindu-se la gazele rare.Afinitateapentruelectroni reprezintenergiacaresedegajcndatomul unui element primete un electron n stratul su de valent, devenind ion negativ. Msurtorile arat c cele mai mari afiniti le au halogenii, iar metalele alcaline nu au afinitate pentru electroni.Fiecare ion considerat ca o sfer, prezint un cmp electrostatic, repartizat uniform n toate direciile spaiului. Energia de interaciune electrostatic ntre ioni pentru formarea unei perechi de ioni de tipul Na+Cl- este dat de relaia:reE2 (2.1)ncareeestesarcinaelectricelementar, iarrdistanadintrecen-trele ionilor. Dac razele relative ale ionilor, deci dimensiunile acestora, sunt mai mici atracia dintre ioni va fi mai mare.Din relaia de mai sus rezult c numrul sarcinilor electrice ale ionilor poate influena favorabil energia de legtur sau energia de reea n cazul substanelor ionice n stare cristalin.Substanele cu legtur ionic prezint mare importan n chimia analitic, deoarece toate reaciile care au loc n analiza calitativ i cantitativ (volumetric i gravimetric) se bazeaz pe reacii ntre ioni.2.2. LEGTURA COVALENT2.2.1. TEORIA ELECTRONIC A LUI G.H. LEWIS (1916) I I. LANGMUIR (1919)5Majoritateasubstanelornstaremolecularexistentennatur, cumsunt moleculele organice, nu se formeaz prin cedare-captare de electroni aa cum se formeaz bazele i srurile (combinaiile ionice). Ele nu conduc curentul electric deoareceaumoleculelealctuitedinatomi puterniclegai printr-unalt tipde legtur mai stabil dect legtura ionic i care poart numele delegtur covalent sau atomic. Formarea legturii covalente se realizeaz prin punerea n comun de ctre ambii atomi a unor perechi de electroni din stratul de valen astfel nct fiecare atom s-i formeze un dublet sau un octet stabil. Ca exemplu se d formarea moleculelor de hidrogen, clor i acid clorhidric (electronii ambilor parteneri delegtursereprezintdiferit pentruascoatemai bineneviden participarea ambilor atomi la formarea perechii de electroni de legtur):H H H H + : : Cl Cl Cl Cl + + Cl HH Cln cazul moleculelor de H2 i Cl2, perechea de electroni de legtur aparine n mod egal ambilor atomi, n timp ce la HCl aparine mai mult clorului, acesta avnd electronegativitate mai mare dect hidrogenul. De aceea, legtura covalent n moleculele homoatomice (formate din acelai fel de atomi) s-a numit nepolar, n timp ce n moleculele heteroatomice (formate din atomi diferii-HCl), polar.ntimpce combinaiile ionice se formeaz dinatomi electropozitivi i electronegativi, combinaiile covalente se formeaz din atomi avnd acelai caracter electrochimic. Datorit ns diferenei de electronegativitate dintre atomii ce compun moleculele heteroatomice, acestea formeaz dipoli electrici. Produsul dintresarcinaelectrici distanadintrecei doi poli poartnumeledemomentelectric sau dipolmoment:= e r (2.2)i se exprim n Debye (D) (1D = 10-20 u.e.s.m). Molecula de ap are momentul electric = 1,84D dovedind structura sa unghiular (= 104o30):H HS-a convenit ca perechea de electroni de legtur s se reprezinte printr-o liniu numitliniu de valen(H-Cl).Valena elementelor n astfel de 5Ocombinaii estedatdenumrul deperechi deelectroni puincomun. Astfel, azotul este tricovalent n molecula sa (N2).Electronii care nu iau parte la legturi se numescelectroni neparticipani. Aceti electroni se pot reprezenta fie prin puncte, fie prin liniue: :NN: .Tendina de a forma octetul prin punere n comun de electroni nu se aplic riguros dect la elementele din perioada a 2-a (Be, B, C, N, O, F) deoarece stratul de valen poate conine maxim8 electroni. ncepnd de la perioada a 3-a, elementele pot forma combinaii covalente cu participarea a 10, 12, 14 sau chiar 16 electroni datorit existenei orbitalilor d disponibili (PCl5, SCl6).Spre deosebire de legtura ionic, legtura covalent este orientat n spaiu. Atomii sunt legai rigid ntre ei i la distane precise unii de alii. ncazul moleculelor cumai mult dedoi atomi, acesteasecaracterizeazprinunghiuri constante ntre direciile de legtur.Prezena unei polariti n moleculele covalente nseamn n realitate prezenanacestemolecule, nmodparial, alegturii ionice, datoritatraciei electrostatice dintre dipoli.2.2.2. COMBINAII COMPLEXE. TEORIA COORDINAIEI.Exist foarte multe substane ncare perechea de electroni de legtur provine de la acelai atom.Astfel molecula de BF3avndsextetn loc deoctet electronic, este acceptoare de electroni n timp ce molecula de NH3, avnd octet electronic, este donoare de electroni datorit perechii de electroni neparticipani. De aceea, trifluorura de bor d cu amoniacul combinaia H3NBF3. ntre atomii de azot i bor se stabilete o legtur coordinativ, identic celei covalente ncarecei doielectroni de legtur provin de la acelai atom(azot). Pentru acest motiv atomul de azot este donor de electroni, iar atomul de bor acceptor de electroni. n acelai timp apare o polaritate pozitiv la atomul de azot i negativ la atomul de bor:H3N:+BF3 H3N +

-BF3 Legtura coordinativ se reprezint de obicei printr-o sgeat ndreptat de la atomul donor ctre cel acceptor, omindu-se sarcinile formale ce indic polaritatea:H3N BF3 n timp ce legtura covalent obinuit are loc prin unire de atomi i duce la formareadecombinaii simple, legturacoordinativseproduceprinunirede moleculei ducelaformaredecombinaii complexe, numitei combinaii de ordinul II. Ase-menea combinaii depesc cu mult numrul combinaiilor simple i ele capt importan teoretic i practic din ce n ce mai mare.Prima teorie asupra combinaiilor complexe care a rspuns afirmativ rezultatelorexperimentaleafost datdeA. Werner(1893)ipoartnumelede teoria coordinaiei. Conform acestei teorii, unii atomi dispun pe lngvalenele lor principalei deunanumit numr devalenesecundarecucareformeaz legturichimicedistincte. njurulunuiatomcentralsuntlegatesaucoordinate 4prinacestevaleneunanumit numr deioni saumoleculenumiteliganzisau adenzi care formeaz prima sfer de coordinaie`` notat prin paranteze ptrate: K3[Fe(CN)6]; [Cu(NH3)4]SO4, [Co(NH3)6]Cl3Ionii din afara parantezei ptrate constituie ionii din sfera a doua, iar sarcinile lor neutralizeaz sarcinile ionului complex. Numrul de liganzi care pot fi coordinai se numete numr de coordinaie.Teorialui A. Werner aveauncaracter limitat deoarecenuputeaexplica naturavalenelor secundare princare eraulegai liganzii deatomul central. Numai dup elaborarea de ctre Lewis a teoriei electronice (vechi) asupra legturii covalente a putut fi creat o teorie asupra naturii legturii n combinaiile complexe. Astfel, N.V. Sidgwich(1923) aextinslaaceastclasdesubstane teoria electrodinamic a lui Lewis considernd c la formarea combinaiilor complexe liganzii doneaz cte o pereche de electroni atomului metalic central cu careformeazlegturicovalentededoielectroni(ceprovindelaacelai atom) numite legturi coordinative. n cele mai multe cazuri s-a observat c numrul de electroni ai ionului central plus numrul de electroni donai de liganzi este egal cu numrul de electroni ai gazului rar care urmeaz n sistemul periodic. Deoareceexisttotui multeexcepii delaaceastregul, rezultcla formarea combinaiilor complexe nu are un rol hotrtor formarea unei structuri electronicedegazrar. Deasemeneanuareunrol hotrtor factorul stericn determinareanumrului decoordinaie, adicraportul dintrevolumul atomului central i volumul liganzilor, aa cum se credea pe timpul lui Werner.Odat cu apariia mecanicii cuantice au fost aduse contribuii deosebite n interpretarea legturii coordinative utilizndu-se diverse metode mecanic-cuantice. Acest fapt este cu att mai important cu ct unele combinaii complexe cum sunt clorofilele i hemoglobinele au mare nsemntate biologic.2.2.3. TEORIA MECANIC CUANTIC A LEGTURII COVALENTETeoriaelectronicclasicnuputeaexplicadecelapunereancomunde perechi de electroni se formeaz legturi att de trainice ca n molecula de azot sau dediamant. Rspunsul cel mai corect l-adat teoriamecanicii cuanticeasupra structurii atomului, extinsdeW. Heitler i F. London(1927) lamoleculade hidrogen, justificnd riguros teoria semiempiric a lui Lewis i artnd sensul fizic precis al liniuei de valen.Mecanismul formrii legturii covalente dup mecanica cuantic este urmtorul: ori decteori doi atomi seapropieunul dealtul nspaiupentrua forma o molecul, norii lor electronici (orbitalii atomici) se suprapun (se ntreptrund) tot mai mult, interaciunilemutualesporesc, electronii aparinn msur tot mai mare ambilor atomi, consolidnd treptat legtura prin apariia unor fore de atracie care tind s aduc protonii pn la distana de echilibru stabilr0 pentru care, energia potenial a sistemului este minim (fig. 16). 4Astfel, molecula ia natere prin ntreptrunderea orbitalilor atomici, cu formare de orbitali molecularicomuni ambilor atomi, ceea ce constituie legtura covalent. Calculele efectuate de Heitler i London privind energia moleculei de H2 n funcie de distana dintre nuclee a artat c trecerea electronilor de la un atom la altul implic o variaie de energie. Calculele concord perfect cu rezultatele experimentale i ele arat c peste 90 % din energia de legtur dintre cei doi atomi provine din schimbul electronilor de la un nucleu la altul, pentru a nu spune din punerea n comun a electronilor``. Aceast energie se numete energie de schimbi se deosebete de energia rezultat din atracia electrostatic, prezent i ea dar n msur mult mai mic.Figura 16. Variaia energiei poteniale a moleculei de H2 n funcie de distana dintre atomii de hidrogen.Formarea orbitalilor moleculari. Principiile de la care au plecat Heitler i Londonpentruformareaorbitalilor moleculari nmoleculadehidrogensunt i principiilegeneraleale tuturor legturilor covalente. Distribuiaelectronilor n micarealor nmoleculrespectecuaialui Schrdinger ncareEreprezint energiatotalamoleculei, adicsumaenergiei cineticei potenialeafiecrei microparticule (electroni i nuclee).Ecuaia nu are soluii dect pentru o serie discontinu de valori proprii ale energiei totale, valori ce corespund nivelelor de energie ale moleculei, respectiv ale orbitalilor moleculari.Molecula exist ca formaie stabil atta timp ct corespunde unei micorri a energiei n raport cu suma constituenilor si luai separat, adic energia orbitalului molecular format este mai mic dect suma energiilor orbitalilor atomici care se ntreptrund.5Rezolvarea ecuaiei lui Schrdinger pentru molecule formate din atomi polielectronicintmpinmaridificultipentrucaresefacmulteaproximrice duc la rezultate puin diferite de rezultatele experimentale.n cazul hidrogenului, la care calculele corespund rezultatelor experimentale, formarea orbitalului molecular poate fi neleas dac se consider o molecul de H2 caracterizat de funcia de und care satisface ecuaia lui Schrdinger, pentru cei 2 protoni i 2 electroni constitueni. Cnd cei doi atomi sunt deprtai ei pot fi caracterizai defunciilepropriiA(1) pentruprimul atomiB(2) pentrual doilea atom de hidrogen, n care A i B sunt nucleele iar 1 i 2 electronii, funcii care exprim probabilitatea ca electronul (1) s se gseasc n jurul nucleului A, iar electronul (2) s se gseasc n jurul nucleului B. Aceste funcii corespund strii fundamentale a atomilor.Pentru a descrie formarea moleculei este nevoie de o funcie de und care s exprime probabilitatea de a gsi simultan electronul (1) n jurul lui A i (2) n jurul lui B. AceastprobabilitatesimultanexprimatprinIestedatdeprodusul celor dou probabiliti individuale:I = A(1)B(2)(2.3)i care constituie o soluie a ecuaiei pentru molecula H2 cnd atomii nu sunt prea apropiai unul de altul (molecul instabil).Dac se presupune c se apropie cei doi atomi pn la poziia de echilibru (molecul stabil), iar apoi se deprteaz din nou, este imposibil de cunoscut dac electronul caregraviteaznjurul nucleului Aeste(1) sau(2). Deaceeaeste posibil o nou funcie II:II =A(2) B(1)(2.4)Deoarece ecuaia lui Schrdinger este o ecuaie diferenial de ordinul doi cu coeficieni constani, apare ca o proprietate a acesteia cnd I i II sunt dou soluiiparticularealeecuaieiiarC1iC2doicoeficienivariaionali,casoluia general a ecuaiei pentru molecula de H2 s rezulte din combinarea liniar a celor dou soluii particulare:H2 = C1I + C2II(2.5)Coeficienii C1i C2trebuie astfel alei, nct energia E a moleculei s fie minim, de unde:0CE1i0CE2(2.6)Legtura covalent este determinat de doi electroni cu spini opui a cror probabilitate de existen este relativ mare ntre cei doi atomi pe direcia ce leag cele dou nuclee.Exist o analogie perfect ntre ntreptrunderea orbitalilor atomici i interferena a dou unde (electronice staionare). Atunci cnd cele dou unde care 5interfer au ampltudini identice (bucle egale) ca mrime i sens (de exemplu +) celedouunde sensumeaz, iar n cazcontrar ele se anuleaz. De aceeai n cazul suprapunerii (ntreptrunderii) orbitalilor atomici rezult orbitali moleculari a cror funcii de und 2Hsunt date de suma, respectiv diferena, funciilorIi II:

( )II I H212 + i ( )II I H212 (2.7)unde2Hcorespunde orbitalului de legtur,2H-orbitalului de antilegtur, iar factorul 1/2numitfactor denormare, provinedincondiia impus ca probabilitatea de a gsi electronul n ntreg spaiul respectiv s fie egal cu 1. Semnul + i - definete funcii simetrice (+), respectiv antisimetrice (-).Orbitali moleculari i .ntimpcemomentul cinetical orbitalilor atomici secaracterizeazprinnumerelecuanticenil,orbitalii moleculari se caracterizeaz prin numerele cuantice n i , ultimul corespunznd componenilor momentului cinetic de-a lungul dreptei ce leag cele dou nuclee. Deci, numrul nlocuiete numrul cuantic l. La valoarea l = 0 corespund orbitali atomicin timp ce la = 0 corespund orbitali moleculari, (sigma); lal= 1 corespund orbitali atomicip,n timp ce la = 1 corespund orbitali moleculari ; la l= 2 corespund orbitali atomici d, n timp ce la = 2 corespund orbitali moleculari etc. Deci, prin contopirea a doi orbitali atomici pot rezulta n realitate doi orbitali moleculari: a) unul de energie joas i stabil numit orbital de legtur ( , ) care corespunde funciilor simetrice i moleculelor stabile n care perechea de electro