Capitolul I. Atomul – structură Capitolul I. Atomul – structură şi consecinţeşi consecinţe

  

11

Atomul – structură şi consecinţe Atomul – structură şi consecinţe

Scopul acestui prim capitol este de a Scopul acestui prim capitol este de a prezenta stadiul cunoaşterii structurii prezenta stadiul cunoaşterii structurii materiei din punct de vedere chimic şi de materiei din punct de vedere chimic şi de a crea premisele întelegerii modului în a crea premisele întelegerii modului în care atomii interacţionează între ei.care atomii interacţionează între ei.

22

Structura atomuluiStructura atomului

Divizibilitatea materiei până la o cea mai mică Divizibilitatea materiei până la o cea mai mică particulă denumită atom a fost susţinută de filozoful grec particulă denumită atom a fost susţinută de filozoful grec Democrit cu mult înaintea erei noastre.Democrit cu mult înaintea erei noastre.

Dalton, un chimist englez din secolul XVIII a considerat Dalton, un chimist englez din secolul XVIII a considerat că toată materia este constituită din atomi care nu pot fi că toată materia este constituită din atomi care nu pot fi nici creaţi nici divizaţi.nici creaţi nici divizaţi.

În accepţiunea modernă atomul este cea mai mică În accepţiunea modernă atomul este cea mai mică parte de substanţă care nu mai poate fi divizată prin parte de substanţă care nu mai poate fi divizată prin metode chimice.metode chimice.

Un şir lung de descoperiri din domeniul fizicii au Un şir lung de descoperiri din domeniul fizicii au arătat că în fapt atomul este format din mai multe arătat că în fapt atomul este format din mai multe particule elementare: protoni, neutroni şi electroni.particule elementare: protoni, neutroni şi electroni.

33

Structura atomuluiStructura atomului

Protonul este o particulă elementară cu masa de Protonul este o particulă elementară cu masa de aproximativ aproximativ şi este încărcat electric cu o sarcină şi este încărcat electric cu o sarcină pozitivă egală cu sarcina electrică pozitivă egală cu sarcina electrică elementară:elementară: . .

Neutronul este o particulă elementară cu masa practic Neutronul este o particulă elementară cu masa practic egală cu a protonului şi care este neutru din punct de egală cu a protonului şi care este neutru din punct de electric.electric.

Electronul este o particulă elementară cu masa de Electronul este o particulă elementară cu masa de kg, de peste 1800 ori mai mică kg, de peste 1800 ori mai mică decât a protonului sau neutronului şi este încărcat electric decât a protonului sau neutronului şi este încărcat electric negativ cu o sarcină electrică elementară.negativ cu o sarcină electrică elementară.

kg. 2710661 C. 191061

311019 .

44

Modele atomice clasiceModele atomice clasice Pentru descrierea modului în care sunt aşezate aceste Pentru descrierea modului în care sunt aşezate aceste particule elementare au fost elaborate de-a lungul timpului mai particule elementare au fost elaborate de-a lungul timpului mai multe modele atomice.multe modele atomice.

J.J.J.J.ThompsonThompson, la începutul secolului XIX, a elaborat , la începutul secolului XIX, a elaborat modelul unui atom „plin” în care sarcinile pozitive şi negative erau modelul unui atom „plin” în care sarcinile pozitive şi negative erau distribuite uniform. Modelul are doar importanţă istorică, neputând distribuite uniform. Modelul are doar importanţă istorică, neputând explica proprietăţile atomilor.explica proprietăţile atomilor.

55

Modelul RutherfordModelul Rutherford Ceva mai târziu, Ceva mai târziu, Rutherford,Rutherford, în urma unor experienţe de împrăştiere a în urma unor experienţe de împrăştiere a

particulelor α pe un strat subţire (foiţă) de atomi de Au a elaborat modelul particulelor α pe un strat subţire (foiţă) de atomi de Au a elaborat modelul lacunar al atomului: protonul şi neutronul se găsesc în centrul atomului, într-o lacunar al atomului: protonul şi neutronul se găsesc în centrul atomului, într-o zonă cu dimensiuni foarte reduse şi densitate enormă - aproximativ numită zonă cu dimensiuni foarte reduse şi densitate enormă - aproximativ numită nucleu; în jurul acestuia se învârt, pe orbite circulare, electronii care alcatuiesc nucleu; în jurul acestuia se învârt, pe orbite circulare, electronii care alcatuiesc învelişul electronic. Atomul este aproape gol, masa lui fiind concentrată aproape învelişul electronic. Atomul este aproape gol, masa lui fiind concentrată aproape toată în nucleu, fapt ce permite traversarea lui de către particule uşoare cum sunt toată în nucleu, fapt ce permite traversarea lui de către particule uşoare cum sunt cele α fără a fi deviate decât în cazuri rare. Numărul de protoni din nucleu se cele α fără a fi deviate decât în cazuri rare. Numărul de protoni din nucleu se numeşte număr atomic Z; numărul de electroni din învelişul electronic este egal numeşte număr atomic Z; numărul de electroni din învelişul electronic este egal tot cu Z, pentru păstrarea neutralităţii electrice a atomului. tot cu Z, pentru păstrarea neutralităţii electrice a atomului. Numărul de protoni şi Numărul de protoni şi neutroni din nucleu se numeşte număr atomic de masă A.neutroni din nucleu se numeşte număr atomic de masă A.

Structura nucleului este mai puţin importantă pentru chimie şi face Structura nucleului este mai puţin importantă pentru chimie şi face obiectul de studiu al fizicii nucleare. Structura învelişului electronic este obiectul de studiu al fizicii nucleare. Structura învelişului electronic este determinantă pentru proprietăţile atomului şi prin acestea pentru determinantă pentru proprietăţile atomului şi prin acestea pentru comportamentul lui chimic.comportamentul lui chimic.

Conform legilor electrodinamicii clasice, o sarcină electrica în mişcare Conform legilor electrodinamicii clasice, o sarcină electrica în mişcare accelerata emite energie, astfel încât, un atom cu o astfel de structură este accelerata emite energie, astfel încât, un atom cu o astfel de structură este instabil, electronii căzând rapid pe nucleu. instabil, electronii căzând rapid pe nucleu.

66

Modelul BohrModelul Bohr

Pentru a elimina acest neajuns, Niels Pentru a elimina acest neajuns, Niels BohrBohr, un fizician , un fizician danez, a elaborat un model bazat pe două postulate, în danez, a elaborat un model bazat pe două postulate, în care, ca o ironie a sorţii, nu a crezut până la moarte. care, ca o ironie a sorţii, nu a crezut până la moarte. Postulatele enunţau existenţa unor orbite ‘’staţionare’’ Postulatele enunţau existenţa unor orbite ‘’staţionare’’ pentru care electronii în mişcare nu emit energie, iar pentru care electronii în mişcare nu emit energie, iar trecerea de la o orbită staţionară la alta se face prin trecerea de la o orbită staţionară la alta se face prin emiterea sau absorbtia unor cuante de energie egale cu emiterea sau absorbtia unor cuante de energie egale cu diferenţa energetică dintre acestea. diferenţa energetică dintre acestea. Modelul a introdus Modelul a introdus numărul cuantic principal ‘’n’’ care caracteriza aceste orbite numărul cuantic principal ‘’n’’ care caracteriza aceste orbite staţionare. staţionare. Modelul a reuşit să explice doar spectrul Modelul a reuşit să explice doar spectrul atomului de H. atomului de H.

77

Modelul Bohr-SommerfeldModelul Bohr-SommerfeldModelul Bohr-SommerfeldModelul Bohr-Sommerfeld consideră că electronii se mişcă pe consideră că electronii se mişcă pe orbite eliptice cu nucleul în unul din focare. Dimensiunea şi forma orbite eliptice cu nucleul în unul din focare. Dimensiunea şi forma elipselor (raportul dintre semiaxele a şi b) sunt determinate de două elipselor (raportul dintre semiaxele a şi b) sunt determinate de două numere cuantice, introduse arbitrar pe baza unor postulate, numere cuantice, introduse arbitrar pe baza unor postulate, nn - număr - număr cuantic principal şi cuantic principal şi ll - număr cuantic secundar. Sunt permise numai - număr cuantic secundar. Sunt permise numai orbitele eliptice pentru care: orbitele eliptice pentru care:

l=0,1,...., n-1l=0,1,...., n-1

Orientarea planului acestor elipse faţă de un câmp magnetic Orientarea planului acestor elipse faţă de un câmp magnetic exterior este determinată de numărul cuantic magnetic exterior este determinată de numărul cuantic magnetic mm, care ia , care ia valori de -l până la +l, adică 2l+1 valori. Această orientare este valori de -l până la +l, adică 2l+1 valori. Această orientare este rezultatul interacţiei dintre câmpul magnetic creat de electronul în rezultatul interacţiei dintre câmpul magnetic creat de electronul în mişcare pe orbită şi cel exterior. De asemenea, pentru descrierea mişcare pe orbită şi cel exterior. De asemenea, pentru descrierea mişcării de rotaţie a electronului în jurul axei proprii s-a introdus mişcării de rotaţie a electronului în jurul axei proprii s-a introdus numărul cuantic de spin numărul cuantic de spin ss, care poate lua doar două valori. Aceste , care poate lua doar două valori. Aceste două valori au ca semnificaţie polarizările posibile ale câmpului două valori au ca semnificaţie polarizările posibile ale câmpului magnetic generat de mişcarea electronului în jurul axei sale, mişcare magnetic generat de mişcarea electronului în jurul axei sale, mişcare de rotaţie ce poate avea doar două sensuri.de rotaţie ce poate avea doar două sensuri.

88

1l

n

b

a

Toţi electronii şi orbitele corespunzătoare unui acelaşi număr Toţi electronii şi orbitele corespunzătoare unui acelaşi număr cuantic principal n formează o pătură (strat) electronic. Aceste cuantic principal n formează o pătură (strat) electronic. Aceste straturi electronice sunt alcătuite din substraturi, ce conţin orbite straturi electronice sunt alcătuite din substraturi, ce conţin orbite de excentricitate variabilă, determinată de valorile numărului de excentricitate variabilă, determinată de valorile numărului cuantic secundar l. cuantic secundar l.

Modelul Bohr-Sommerfeld a reuşit să explice unele dintre Modelul Bohr-Sommerfeld a reuşit să explice unele dintre proprietăţile atomproprietăţile atomiilor hidrogenoizi (cu un singur electron), fiind lor hidrogenoizi (cu un singur electron), fiind însă incapabil să le explice pe cele ale atomilor polielectronici.însă incapabil să le explice pe cele ale atomilor polielectronici.

99

Modelul Bohr-SommerfeldModelul Bohr-Sommerfeld

Modelul cuantic al atomuluiModelul cuantic al atomuluiPPrincipiul de nedeterminare Heisenbergrincipiul de nedeterminare Heisenberg - - stabileşte stabileşte o relaţie între incertitudinile în măsurarea simultană o relaţie între incertitudinile în măsurarea simultană a două mărimi (de exemplu poziţie - x şi impuls - p):a două mărimi (de exemplu poziţie - x şi impuls - p):

cu cât una dintre ele este măsurată mai precis cu cu cât una dintre ele este măsurată mai precis cu atât incertitudinea de măsurare a celeilalte este atât incertitudinea de măsurare a celeilalte este mai mare. mai mare. noţiunea de traiectorie (poziţie cunoscută cu noţiunea de traiectorie (poziţie cunoscută cu exactitate în orice moment) a electronului îşi pierde exactitate în orice moment) a electronului îşi pierde semnificaţia. semnificaţia. Noţiunea de traiectorie - orbită a electronului va fi Noţiunea de traiectorie - orbită a electronului va fi înlocuită cu probabilitatea ca acesta să se afle într-o înlocuită cu probabilitatea ca acesta să se afle într-o zonă din spaţiuzonă din spaţiu. .

4

hpx

1010

dualismul corpuscul - undădualismul corpuscul - undă; Louis de Broglie a ; Louis de Broglie a emis ipoteza conform căreia oricărui corp în emis ipoteza conform căreia oricărui corp în mişcare îi este asociată o undă cu lungimea de mişcare îi este asociată o undă cu lungimea de undă dată de relaţia:undă dată de relaţia:

unde:unde:h este constanta Planck =h este constanta Planck = m este masa particulei în mişcare;m este masa particulei în mişcare;v viteza de mişcare.v viteza de mişcare.Electronului în mişcare îi va fi asociată o undă, Electronului în mişcare îi va fi asociată o undă, ale cărei caracteristici depind de viteza ale cărei caracteristici depind de viteza acestuia.acestuia.

Modelul cuantic Modelul cuantic alal atomului atomului

mv

h

sJ. 34106256

1111

Ecuatia SchrodingerEcuatia Schrodinger Considerând unda asociată electronului în mişcare şi Considerând unda asociată electronului în mişcare şi scriind ecuaţia de propagare a acesteiascriind ecuaţia de propagare a acesteia in campul de in campul de forte al nucleuluiforte al nucleului, Schrodinger ajunge la relaţia care îi , Schrodinger ajunge la relaţia care îi poartă numele, scrisă în cele ce urmează în coordonate poartă numele, scrisă în cele ce urmează în coordonate spaţiale:spaţiale:

unde:unde: este funcţia de undă, ce depinde de coordonate;este funcţia de undă, ce depinde de coordonate;E operatorul energie totală a electronului;E operatorul energie totală a electronului;V operatorul energie potenţială a electronului. V operatorul energie potenţială a electronului. Funcţia de undă nu are semnificaţie fizică; modulul Funcţia de undă nu are semnificaţie fizică; modulul funcţiei de undă - reprezintă probabilitatea de a găsi la funcţiei de undă - reprezintă probabilitatea de a găsi la un moment dat electronul în unitatea de volum:un moment dat electronul în unitatea de volum:

08

2

2

2

2

2

2

2

2

)VE(

h

m

zyx

dVdP 21212

Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger

pentru atomi/ioni cu un singur electronpentru atomi/ioni cu un singur electron Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger nu este însă posibilă din Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger nu este însă posibilă din punct de vedere matematic decât pentru atomi sau ioni cu un punct de vedere matematic decât pentru atomi sau ioni cu un singur electron.singur electron. Soluţiile acestei ecuaţii Soluţiile acestei ecuaţii se obţin numai pentru se obţin numai pentru anumite valori ale energiei numite valori proprii şi care sunt anumite valori ale energiei numite valori proprii şi care sunt determinate de determinate de numerele cuantice numerele cuantice nn, l si m, l si m..

Numerele cuantice n, l, m sunt în acest caz rezultate prin Numerele cuantice n, l, m sunt în acest caz rezultate prin calcul şi nu introduse arbitrar ca în modelul Bohr - Sommerfeld.calcul şi nu introduse arbitrar ca în modelul Bohr - Sommerfeld. Pentru acelasi numar cuantic n energia nivelelor este aceeasi Pentru acelasi numar cuantic n energia nivelelor este aceeasi – nivelele cu acelasi n formeaza o patura.– nivelele cu acelasi n formeaza o patura.

Zonele în care electronii se găsesc cu probabilitate ridicată Zonele în care electronii se găsesc cu probabilitate ridicată (>90-95%) (>90-95%) se numesc orbitali. Forma acestor orbitali depinde de se numesc orbitali. Forma acestor orbitali depinde de valorile lui l:valorile lui l:

l=0, orbitali de tip s, sferici;l=0, orbitali de tip s, sferici;l=1, orbitali de tip p, bilobari;l=1, orbitali de tip p, bilobari;l=2, orbitali de tip d, cu forme relativ complicate;l=2, orbitali de tip d, cu forme relativ complicate;l=3, orbitali de tip f, cu forme complicate.l=3, orbitali de tip f, cu forme complicate.

m,l,n

1313

orbitaliorbitali

Fiecărui tip de orbitali îi corespund 2l+1 orbitali cu forme Fiecărui tip de orbitali îi corespund 2l+1 orbitali cu forme sau orientări diferite. Astfel, pentru l=0 (orbitali tip s) există sau orientări diferite. Astfel, pentru l=0 (orbitali tip s) există doar orbitali sferici, pentru l=1 (orbitali p) există 3 orbitali: doar orbitali sferici, pentru l=1 (orbitali p) există 3 orbitali: px, py, pz, identici ca formă însă orientaţi în lungul axelor px, py, pz, identici ca formă însă orientaţi în lungul axelor respective.respective.

1414

OrbitaliOrbitali

1515

Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger pentru Rezolvarea ecuaţiei Schrodinger pentru atomi multielectroniciatomi multielectronici

Pentru atomii cu mai mulţi electroni, rezolvarea Pentru atomii cu mai mulţi electroni, rezolvarea aproximativă a ecuaţiei Schrodinger a condus la aproximativă a ecuaţiei Schrodinger a condus la obţinerea unei imagini oarecum asemănătoare cu obţinerea unei imagini oarecum asemănătoare cu a atomului cu un electron. a atomului cu un electron. Aproximatia consta in considerarea miscarii Aproximatia consta in considerarea miscarii electronilor, neglijand interactiunile dintre ei, in electronilor, neglijand interactiunile dintre ei, in campul electric creat de nucleu, care are insa o campul electric creat de nucleu, care are insa o sarcina efectiva mai mica decat Z, datorita sarcina efectiva mai mica decat Z, datorita ecranarii produse de ceilalti electroni de pe ecranarii produse de ceilalti electroni de pe paturile interioare.paturile interioare.Principala deosebire rezultata consta in Principala deosebire rezultata consta in despicarea nivelelor energetice corespunzatoare despicarea nivelelor energetice corespunzatoare unei aceeasi paturi electronice, datorita unei aceeasi paturi electronice, datorita interactiilor diferite dintre nucleu si electronii interactiilor diferite dintre nucleu si electronii aflati in orbitali tip s, p, d si faflati in orbitali tip s, p, d si f

1616

Contractia orbitalilorContractia orbitalilor

Calculand functiile de unda pentru fiecare Calculand functiile de unda pentru fiecare electron din atom se constata ca se produc electron din atom se constata ca se produc unele inversiuni in ordinea energetica a unele inversiuni in ordinea energetica a orbitalilor, odata cu cresterea lui Z.orbitalilor, odata cu cresterea lui Z.

Fenomenul poarta denumirea de contractia Fenomenul poarta denumirea de contractia orbitalilor si conduce la anumite modificari in orbitalilor si conduce la anumite modificari in ordinea de completare a strordinea de completare a straaturilor electronice.turilor electronice.

Astfel, pentru K, nivelul 4s este mai sarac in Astfel, pentru K, nivelul 4s este mai sarac in energie decat 3d, pentru Sc energia nivelelor energie decat 3d, pentru Sc energia nivelelor este egala, iar incepand cu V orbitalii 3d au este egala, iar incepand cu V orbitalii 3d au energie mai redusa decat 4s.energie mai redusa decat 4s.

1717

Despicarea nivelelor energeticeDespicarea nivelelor energetice

1818

Ordinea de completare a invelisului Ordinea de completare a invelisului electronicelectronic

Ocuparea cu electroni a orbitalilor se face Ocuparea cu electroni a orbitalilor se face ::în ordinea creşterii energiei acestoraîn ordinea creşterii energiei acestora;;conform conform principiul lui Pauli:principiul lui Pauli:

Fiecare orbital poate fi ocupatFiecare orbital poate fi ocupat de de maxim maxim 22 electroni cu electroni cu spinii antiparaleli. spinii antiparaleli. regulilreguliloror lui Hund lui Hund::

la completarea unui strat cu electroni se ocupă maximum la completarea unui strat cu electroni se ocupă maximum de orbitali;de orbitali;

în acelaşi substrat electronii necuplaţi au spin paralel.în acelaşi substrat electronii necuplaţi au spin paralel.

Ordinea creşterii energiei orbitalilor se poate stabili cu regula Ordinea creşterii energiei orbitalilor se poate stabili cu regula (n+l):(n+l):orbitalul cu suma (n+l) mai mică este de energie mai scăzută,orbitalul cu suma (n+l) mai mică este de energie mai scăzută,pentru aceeaşi sumă (n+l) orbitalul cu n mai mic are energia mai pentru aceeaşi sumă (n+l) orbitalul cu n mai mic are energia mai scăzută.scăzută.Ordinea de ocupare cu electroni a orbitalilor poate fi stabilită Ordinea de ocupare cu electroni a orbitalilor poate fi stabilită utilizând şi următoarea schemă (fig).utilizând şi următoarea schemă (fig).

1919

Schema practica pentru stabilirea ordinii de Schema practica pentru stabilirea ordinii de completare a straturilor electronicecompletare a straturilor electronice

2020

ExempluExemplu

ClorClor

Următorul element, Ar are structura învelişului electronic Următorul element, Ar are structura învelişului electronic a clorului la care se adaugă un electron în orbitalul a clorului la care se adaugă un electron în orbitalul semiocupat 3p. Electronul prin care un element se semiocupat 3p. Electronul prin care un element se deosebeşte de cel de dinaintea lui se numeşte electron deosebeşte de cel de dinaintea lui se numeşte electron distinctiv. distinctiv.

2121

Hibridizarea orbitalilorHibridizarea orbitalilor

Matematic se poate demonstra ca o combinatie Matematic se poate demonstra ca o combinatie liniara a solutiilor ecuatiei lui Schrodinger este o liniara a solutiilor ecuatiei lui Schrodinger este o solutie a acesteia. Noile solutii se numesc solutie a acesteia. Noile solutii se numesc orbitali hibrizi, operatia numindu-se hibridizarea orbitali hibrizi, operatia numindu-se hibridizarea orbitalilor.orbitalilor.

Orbitalii hibrizi se noteaza pornind de la cei de Orbitalii hibrizi se noteaza pornind de la cei de la care s-a plecat si au energii intermediare la care s-a plecat si au energii intermediare orbitalilor initiali: orbitalilor initiali: ,, , , , , ..

Orbitalii hibrizi Orbitalii hibrizi provin dintr-un orbital s si 3 provin dintr-un orbital s si 3 orbitali tip p si au forme si energii diferite de cei orbitali tip p si au forme si energii diferite de cei initiali.initiali.

3sp 2sp sp dsp3

3sp

2222

SSiistemul periodic al stemul periodic al elementelorelementelor

2323

Sistemul periodic al elementelorSistemul periodic al elementelorElementul chimic este reprezentat de totalitatea atomilor care au acelaşi număr atomic Z.Sistemul periodic a fost elaborat iniţial de către Mendeleev, care a observat că proprietăţile fizice şi chimice ale elementelor sunt funcţii periodice de masa atomica.

2424

Sistemul periodic al elementelorSistemul periodic al elementelorForma lui curentă se bazează pe structura învelişului electronic şi permite o mai uşoară urmărire a modului de variaţie a proprietăţilor atomilor.Periodicitatea proprietatilor este mai bine pusa in evidenta de numarul atomic Z decat de masa atomica.

2525

Sistemul periodic al elementelorSistemul periodic al elementelorSistemul periodic este alcătuit din şiruri verticale numite grupe şi orizontale numite perioade.După tipul de orbital ce conţine electronul distinctiv elementele pot aparţine blocurilor s, p, d sau f.

Bloc s Bloc p

Bloc d

Bloc f

2626

Blocul s este constituit din elementele din grupele I şi II principale, Blocul s este constituit din elementele din grupele I şi II principale, cu o configuraţie a ultimului strat de tipul cu o configuraţie a ultimului strat de tipul ..

Blocul p conţine elemente din grupele III - VIII principale Blocul p conţine elemente din grupele III - VIII principale configuraţia electronică a ultimului strat fiind configuraţia electronică a ultimului strat fiind ..

Blocul d conţine elemente tranziţionale - grupele secundare, Blocul d conţine elemente tranziţionale - grupele secundare, caracterizate de o structură a straturilor exterioare de tipul caracterizate de o structură a straturilor exterioare de tipul

Blocul f este alcatuit din doua serii de 14 elemente denumite Blocul f este alcatuit din doua serii de 14 elemente denumite actinide si lantanide dupa capii seriilor si au o structura electronica actinide si lantanide dupa capii seriilor si au o structura electronica

de tipulde tipul

Sistemul periodic al elementelorSistemul periodic al elementelor

2,1ns

612npns

2,1101 nsd)1n(

2,120141 nsd)1n(f)2n(

2727

Sistemul periodic al elementelorSistemul periodic al elementelorSistemul permite identificarea rapidă a numărului de straturi electronice – ca fiind numărul perioadei, Sistemul permite identificarea rapidă a numărului de straturi electronice – ca fiind numărul perioadei, precum şi a unor caracteristici ale elementului după amplasarea în blocuri şi grupe. precum şi a unor caracteristici ale elementului după amplasarea în blocuri şi grupe.

Ponderea elementelor în scoarţa terestră este prezentată în tabelul următor:Ponderea elementelor în scoarţa terestră este prezentată în tabelul următor:

Se remarcă abundenţa oxigenului şi siliciului; combinaţiile acestor două elemente conţinând şi alte Se remarcă abundenţa oxigenului şi siliciului; combinaţiile acestor două elemente conţinând şi alte elemente reprezintă majoritatea materiei din scoarţa terestră. elemente reprezintă majoritatea materiei din scoarţa terestră.

2828

Nr.crt. Element Pondere masică (%)1 Oxigen 492 Siliciu 263 Aluminiu 7.54 Fer 4.75 Calciu 3.46 Sodiu 2.67 Potasiu 2.48 Magneziu 1.99 Hidrogen 0.910 Titan 0.611 Clor 0.212 Fosfor 0.1

Proprietăţile Proprietăţile atomiloratomilor

2929

Masa atomicăMasa atomică

Masa atomului este dată în principal de masa Masa atomului este dată în principal de masa nucleului, adică suma maselor protonilor şi neutronilor. nucleului, adică suma maselor protonilor şi neutronilor. Deoarece valoarea acesteia exprimată în kg este foarte Deoarece valoarea acesteia exprimată în kg este foarte mică se utilizează unitatea atomică de masă u.a.m., mică se utilizează unitatea atomică de masă u.a.m., egală cu o bună aproximaţie cu masa unui proton sau a egală cu o bună aproximaţie cu masa unui proton sau a unui neutron şi definită exact ca fiind a 12-a parte din unui neutron şi definită exact ca fiind a 12-a parte din masa izotopului . 1 u.a.m.=masa izotopului . 1 u.a.m.= kg.kg.Masa atomilor exprimată în unităţi atomice de masă se Masa atomilor exprimată în unităţi atomice de masă se numeşte masa atomică relativă. numeşte masa atomică relativă. În natură, la acelaşi număr atomic Z există mai În natură, la acelaşi număr atomic Z există mai multe specii atomice, denumite multe specii atomice, denumite izotopiizotopi, care se , care se diferenţiază între ele prin masa atomică, deci prin diferenţiază între ele prin masa atomică, deci prin numărul de neutroni.numărul de neutroni.

Masa atomică relativă, ce se găseşte tabelată, Masa atomică relativă, ce se găseşte tabelată, reprezintă media ponderată a maselor acestor izotopi.reprezintă media ponderată a maselor acestor izotopi.

2710661 .

3030

Raza atomicăRaza atomică

-10-10

Razele atomilor sunt de ordinul a 10Razele atomilor sunt de ordinul a 10 m. m.

Razele atomilor consideraţi sferici cresc Razele atomilor consideraţi sferici cresc în grupă de sus în jos, ca urmare a în grupă de sus în jos, ca urmare a creşterii numărului de stracreşterii numărului de stratturi uri electroniceelectronice;;

în perioadă scad de la stânga la dreapta, în perioadă scad de la stânga la dreapta, consecinţă a creşterii forţei atractive a consecinţă a creşterii forţei atractive a nucleului. nucleului.

3131

Raza atomicaRaza atomica

3232

Raza ionicaRaza ionica

3333

Potenţialul de ionizarePotenţialul de ionizare

Energia necesară pentru îndepărtarea unui electron de la Energia necesară pentru îndepărtarea unui electron de la un atom izolat se numeşte potenţial de ionizare I. Această un atom izolat se numeşte potenţial de ionizare I. Această definiţie a fost generalizată şi poate fi aplicată şi în cazul definiţie a fost generalizată şi poate fi aplicată şi în cazul ionilorionilor (atomi pentru care numarul electronilor nu este egal (atomi pentru care numarul electronilor nu este egal cu Z)cu Z), procesele desfăşurându-se conform reacţiilor:, procesele desfăşurându-se conform reacţiilor:

potenţial de ionizare de ordinul Ipotenţial de ionizare de ordinul I potenţial de ionizare de ordinul IIpotenţial de ionizare de ordinul II

potenţial de ionizare de ordinul IIIpotenţial de ionizare de ordinul III

Potenţialul de ionizare I se exprimă în eV sau kJ/mol.Potenţialul de ionizare I se exprimă în eV sau kJ/mol.Potenţialul de ionizare creşte cu ordinul său şi uneori în Potenţialul de ionizare creşte cu ordinul său şi uneori în salturi, după cum se observă în tabelul 1.1.salturi, după cum se observă în tabelul 1.1.

eAA eAA 2

eAA 32

3434

Potenţialul de ionizarePotenţialul de ionizareTabelul 1.1Tabelul 1.1.. Potenţialele de ionizare (eV), corespunzătoare unor elemente din grupele I, II, III, Potenţialele de ionizare (eV), corespunzătoare unor elemente din grupele I, II, III, perioada III.perioada III.

Creşterea în salturi a potenţialului de ionizare are loc pentru ionii Na+, Mg2+, Al3+, ceea ce Creşterea în salturi a potenţialului de ionizare are loc pentru ionii Na+, Mg2+, Al3+, ceea ce explică tendinţa respectivelor elemente de a forma ioni cu sarcina pozitivă nu mai mare de 1, 2 explică tendinţa respectivelor elemente de a forma ioni cu sarcina pozitivă nu mai mare de 1, 2 respectiv 3. respectiv 3. Potenţialul de ionizare creşte în perioadă de la stânga la dreapta odată cu creşterea sarcinii Potenţialul de ionizare creşte în perioadă de la stânga la dreapta odată cu creşterea sarcinii pozitive a nucleului, fiind redus pentru metalele alcaline şi mare pentru elementele din grupele pozitive a nucleului, fiind redus pentru metalele alcaline şi mare pentru elementele din grupele VII şi VIII. VII şi VIII. Se consideră de multe ori mai util potenţialul de ionizare cumulat pentru obţinerea unor ioni reali Se consideră de multe ori mai util potenţialul de ionizare cumulat pentru obţinerea unor ioni reali plecând de la atomi.plecând de la atomi.Este suficienta cunoasterea potentialul de ionizare pentru aprecierea tendintei atomilor de a Este suficienta cunoasterea potentialul de ionizare pentru aprecierea tendintei atomilor de a forma ioni pozitivi sau negativi?forma ioni pozitivi sau negativi?

Potenţial de ionizare de ordinul:

I II III IV V

Na 5.14 47.3 71.6 98.9 138.6

Mg 7.60 15.0 80.1 109.3 141.2

Al 5.99 18.8 28.4 120.0 153.4

3535

Afinitatea pentru electroniAfinitatea pentru electroni

Afinitatea pentru electroni reprezintă energia eliberată Afinitatea pentru electroni reprezintă energia eliberată la acceptarea unui electron de către un atom la la acceptarea unui electron de către un atom la transformarea sa într-un ion negativ. transformarea sa într-un ion negativ. Procesul este descris de ecuaţia:Procesul este descris de ecuaţia:

Afinitatea pentru electroni este maximă în valoare Afinitatea pentru electroni este maximă în valoare absolută, pentru elementele din grupele VI-VII absolută, pentru elementele din grupele VI-VII principale şi nu a putut fi determinată direct pentru principale şi nu a putut fi determinată direct pentru elementele din grupele I, II principale. elementele din grupele I, II principale. Afinitatea pentru electroni se exprimă în eV sau kJ/mol Afinitatea pentru electroni se exprimă în eV sau kJ/mol şi are valori negative. Afinităţile pentru electroni şi are valori negative. Afinităţile pentru electroni corespunzătoare unor elemente chimice pot fi urmărite corespunzătoare unor elemente chimice pot fi urmărite în tabelul 1.2.în tabelul 1.2.

AeA

3636

Electronegativitatea atomilorElectronegativitatea atomilor Electronegativitatea X exprimă tendinţa atomilor de a Electronegativitatea X exprimă tendinţa atomilor de a forma ioni negativi, şi poate fi definită ca fiind diferenţa forma ioni negativi, şi poate fi definită ca fiind diferenţa dintre energia de ionizare şi afinitatea pentru electroni:dintre energia de ionizare şi afinitatea pentru electroni:

Elementele care au tendinţă mare de a forma ioni Elementele care au tendinţă mare de a forma ioni negativi au pe lângă un potenţial mare de ionizare şi o negativi au pe lângă un potenţial mare de ionizare şi o mare afinitatea pentru electroni. mare afinitatea pentru electroni.

Există elemente chimice care au o energie de ionizare Există elemente chimice care au o energie de ionizare mare şi totuşi nu formează ioni negativi, datorită lipsei mare şi totuşi nu formează ioni negativi, datorită lipsei afinităţii pentru electroni - gazele rare (grupa a VIII-a afinităţii pentru electroni - gazele rare (grupa a VIII-a principală). principală).

În practică se utilizează curent În practică se utilizează curent electronegativitatea electronegativitatea relativărelativă definită în raport cu electronegativitatea Li: definită în raport cu electronegativitatea Li:

LiLi AI

AI

3737

Electronegativitatea atomilorElectronegativitatea atomilor

Valorile electronegativităţii relative sunt între 0.70 pentru Cs şi Valorile electronegativităţii relative sunt între 0.70 pentru Cs şi 4.10 pentru F. Valorile electronegativităţii unor elemente chimice 4.10 pentru F. Valorile electronegativităţii unor elemente chimice sunt prezentate în tabelul 1.2.sunt prezentate în tabelul 1.2.

Funcţie de diferenţa între electronegativităţile atomilor aceştia se Funcţie de diferenţa între electronegativităţile atomilor aceştia se combină prin diferitele tipuri de legături chimice.combină prin diferitele tipuri de legături chimice.

ElementElement FF OO ClCl BrBr II SS LiLi NaNa KK CsCs

I (eV)I (eV) 17,4217,42 13,6213,62 12,9612,96 11,8411,84 10,4410,44 10,3610,36 5,395,39 5,145,14 4,344,34 3,893,89

A (eV)A (eV) -4,03-4,03 -3,80-3,80 -3,74-3,74 -3,65-3,65 -3,30-3,30 -2,66-2,66 -- -- -- --

(eV)(eV)24,4524,45 17,4217,42 16,7016,70 15,4915,49 13,7413,74 13,0213,02 5,395,39 5,145,14 4,344,34 3,893,89

relrel4,104,10 3,503,50 3,103,10 2,742,74 2,502,50 2,502,50 1,001,00 0,900,90 0,850,85 0,700,70

3838

ConsecinteConsecinte

Structura învelişului electronic Structura învelişului electronic determină modul în care atomul poate determină modul în care atomul poate interacţiona cu vecinii săi şi a forma interacţiona cu vecinii săi şi a forma combinaţii cu aceştia. combinaţii cu aceştia.

Existenţa electronilor neîmperecheaţi Existenţa electronilor neîmperecheaţi în anumiţi orbitalîn anumiţi orbitalii, existenţa unor , existenţa unor orbitalorbitalii neocupaţi având energie neocupaţi având energie convenabilă sunt condiţii ce pot convenabilă sunt condiţii ce pot influenţa comportamentul atomului influenţa comportamentul atomului faţă de vecini.faţă de vecini. 3939

Consecinţe ale structurii atomuluiConsecinţe ale structurii atomuluiÎn anumite condiţii, unii atomi se găsesc într-o formă stabilă de ioni, având În anumite condiţii, unii atomi se găsesc într-o formă stabilă de ioni, având o încărcatură energetică mai scăzută decât atomul de provenienţă. În apă, o încărcatură energetică mai scăzută decât atomul de provenienţă. În apă, multe substanţe se găsesc sub formă de ioni şi nu de atomi. Unii dintre multe substanţe se găsesc sub formă de ioni şi nu de atomi. Unii dintre aceşti ioni pot fi extrem de dăunători pentru organismele vii, astfel încât aceşti ioni pot fi extrem de dăunători pentru organismele vii, astfel încât concentraţia lor este monitorizată şi coborâtă prin diferite mijloace. Ca concentraţia lor este monitorizată şi coborâtă prin diferite mijloace. Ca exemplu, ionul Crexemplu, ionul Cr6+6+, periculos pentru om, se găseşte în ciment în cantităţi , periculos pentru om, se găseşte în ciment în cantităţi reduse şi poate ataca pielea umană dacă mortarul sau betonul este produs reduse şi poate ataca pielea umană dacă mortarul sau betonul este produs sau pus în operă manual; boala rezultată, o îngroşare a pielii poartă sau pus în operă manual; boala rezultată, o îngroşare a pielii poartă numele de “lepra zidarului” şi a determinat introducerea în legislaţie a numele de “lepra zidarului” şi a determinat introducerea în legislaţie a obligativităţii ţinerii sub control a conţinutului de Cr hexavalent pentru obligativităţii ţinerii sub control a conţinutului de Cr hexavalent pentru cimentul însăcuit.cimentul însăcuit.

Structura învelişului electronic permite ca studiul radiaţiei absorbite/emise Structura învelişului electronic permite ca studiul radiaţiei absorbite/emise de atomi/ioni sau grupări de atomi să conducă la identificarea şi chiar de atomi/ioni sau grupări de atomi să conducă la identificarea şi chiar determinarea cantitativă a speciilor datorită specificităţii spectrului de determinarea cantitativă a speciilor datorită specificităţii spectrului de emisie/absorbţie ca rezultat al tranziţiilor între diferitele nivele energetice emisie/absorbţie ca rezultat al tranziţiilor între diferitele nivele energetice – – analiză spectrometricăanaliză spectrometrică. .

4040

Consecinţe ale structurii atomuluiConsecinţe ale structurii atomuluiAtomii se pot combina între ei rezultând combinaţii noi, acesta fiind în Atomii se pot combina între ei rezultând combinaţii noi, acesta fiind în fapt obiectul chimiei. Numărul de electroni cu care atomul participă la fapt obiectul chimiei. Numărul de electroni cu care atomul participă la formarea unei noi combinaţii se numeşte formarea unei noi combinaţii se numeşte valenţă.valenţă. Acest număr variază Acest număr variază funcţie de element şi partenerul sau partenerii săi cu care formează funcţie de element şi partenerul sau partenerii săi cu care formează noi combinaţii. Astfel, pentru Fe, pot exista combinaţii cu O de tipul noi combinaţii. Astfel, pentru Fe, pot exista combinaţii cu O de tipul FeO, în care valenţa Fe este II, precum şi FeFeO, în care valenţa Fe este II, precum şi Fe22OO33, în care valenţa Fe este , în care valenţa Fe este III. Pentru C există combinaţii cum este monoxidul de carbon CO, în III. Pentru C există combinaţii cum este monoxidul de carbon CO, în care valenţa C este II, dar şi combinaţii în care valenţa C este IV, COcare valenţa C este II, dar şi combinaţii în care valenţa C este IV, CO22, , de exemplu.de exemplu.

Valenţa maximă a unui element este egală cu numărul grupei Valenţa maximă a unui element este egală cu numărul grupei principale sau secundare din tabelul periodic. Regulile practice de principale sau secundare din tabelul periodic. Regulile practice de stabilire a valenţei unui element sunt:stabilire a valenţei unui element sunt:

elementele din grupele I-IV principale au în general valenţa egala cu elementele din grupele I-IV principale au în general valenţa egala cu numărul grupei;numărul grupei;

elementele din grupele V-VII principale au în general valenţa egala cu elementele din grupele V-VII principale au în general valenţa egala cu 8 - numărul grupei;8 - numărul grupei;

elementele din grupele secundare pot avea diferite valenţe.elementele din grupele secundare pot avea diferite valenţe.

4141

Probleme pentru autoevaluareProbleme pentru autoevaluare

  1.4.1. De ce nu a crezut Bohr în postulatele sale?1.4.1. De ce nu a crezut Bohr în postulatele sale?

1.4.2. Calculaţi numărul maxim de electroni ce pot exista într-o 1.4.2. Calculaţi numărul maxim de electroni ce pot exista într-o pătură electronică. pătură electronică.

1.4.3. Există vreo diferenţă energetică între nivelele 2s şi 2p în 1.4.3. Există vreo diferenţă energetică între nivelele 2s şi 2p în modelul Bohr pentru atomul de H?modelul Bohr pentru atomul de H?

1.4.4. Calculaţi masa atomică a Cl ştiind că cei doi izotopi 1.4.4. Calculaţi masa atomică a Cl ştiind că cei doi izotopi 3535Cl şi Cl şi 3737Cl se găsesc în natură în raport de aproximativ 3:1.Cl se găsesc în natură în raport de aproximativ 3:1.

4242