Capitolul FH.02. Structura Moleculară a Materiei

Transcript

1 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule Captolul FH.02. Structura Moleculară a Matere Cuvnte-chee Molecula, molul, numărul lu Avogadro, zotop, nvele de organzare ale matere FH.02.1 Molecula Pentru că natura lucrurlor este ca acestea să tndă înspre echlbru, în partcular spre stratur complete, elementele chmce se combnă ntre ele în proport fxe dar care varază de la un atom la altul. Astfel, pentru a obţne apa trebue ca un atom de oxgen să se combne cu do atom de hdrogen (H 2 O), dar pentru a obţne doxdul de carbon trebue ca do atom de oxgen să se combne cu un atom de carbon (CO 2 ). Alte exemple de combnăr care duc la compuş smpl ar putea f: H 2 molecula de hdrogen; O 2 molecula de oxgen; NaCl sare de bucătăre; NaOH soda caustcă; CaO var nestns; Ca(OH) 2 var stns; CaOCl 2 clorura de var etc. Toţ aceşt compuş se pot forma datortă legăturlor chmce care exstă între atom ş care sunt bazate pe schmbul de electron între atom. Astfel putem avea: ) legătur once în care un electron (sau ma mult) este cedat de către un atom ş acceptat de către un alt atom, sau ) legătur covalente în care electron apartn amblor atom. Când un electron este cedat atunc atomul se transformă într-un on poztv numt caton (de la cuvantul grecesc care înseamna jos), ar atomul care acceptă un electron devne on negatv numt anon (de la cuvantul grecesc sus). Un exemplu de compus onc este sarea de bucătăre care poate să fe văzută ca un caton de sodu ş un anon de clor (Na + Cl - ). Molecula de apă este covalentă pentru că ce do electron a fecăru atom de hdrogen este pus în comun cu atomul de oxgen 4. Legăturle covalente pot f la randul lor de ma multe felur: ) legătur nepolare pentru care fecare dntre atom pune în comun acelaş număr de electron ş î atrage la fel de mult; apare la atom dn aceeaş spece sau spec cu electronegatvtăţ (atracţa pentru electron) dferte; ) legătur polare unde atom pun în comun câte un electron dar acesta este atras ma puternc către un atom ş apare între atom a nemetalelor dn spec dferte; ) legătura coordnatvă care este o legătură covalentă polară specală în care un sngur atom (donorul) pune în comun ce do electron. Trebue să ma amntm ca se ma poate dscuta despre on ca despre mjloctorul unu tp de legătură care apare la formarea unor compuş. Astfel chmstul norvegan Vctor Goldschmdt (n. 27 an d. 20 marte 1947) ş L. Paulng consderau că între atom unu metal ar exsta covalenţe care apar datortă faptulu că electron lber aparţn tuturor atomlor care formează reţeaua crstalnă. Mecansmul de coezune dntre atom unu metal a 8

2 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule fost astfel explcat prn legatur care apar între dfertele perech de atom vecn în reţea care se desfac ş se refac. Cele tre legatur: oncă, covalentă ş metalcă sunt legătur ntramoleculare care apar între atom care consttue compuş. La o scară ma mare putem să amntm ş legaturle ntermoleculare (între molecule) care sunt clasfcate în: ) legătur van der Waals; ) legătura de hdrogen ş ) legătura necovalentă. FH.02.2 Masa moleculelor Masa moleculară sau masa une molecule se calculează uşor prn adunarea maselor atomlor respectv. De obce pentru molecule mar sau macromolecule se utlzează o untate de măsură echvalentă a untăţ atomce de masă ş care este Daltonul (Da) ş care reprezntă masa unu atom de hdrogen care este egala cu u.a.m. Un exemplu de macromolecule sunt polmer. Masele acestora se pot exprma în două modur: ) masa moleculară dată de meda numerelor de molecule cu aceeaş masă ş care se calculează ca: NM M N = N, (1) unde N 1, N 2, N 3,... reprezntă numărul de molecule cu masele moleculare M 1, M 2, M 3, ş aşa ma departe; ş ) masa moleculară dată de mederea maselor ş care se calculează ca: mm M w = m, (2) unde m 1, m 2, m 3,... sunt masele speclor cu masele moleculare M 1, M 2, M 3, ş aşa ma departe. Masa une spec este dată de produsul dntre numărul de molecule ş masa moleculară m = N M dec: M w = N M N M 2, (3) Masa moleculară a protenelor poate să ajunga la valor de ordnul catorva kda (m de mase ale hdrogenulu). Astfel de exemplu molecula de ADN are o lungme de Å ş un dametru de 20 Å, ar masa sa moleculară este de Da ar o celulă somatcă dplodă umană conţne aproxmatv mg de ADN. 9

3 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule FH.02.3 Molul. Numarul lu Avogadro. Izotop În chme se operează cu numere mar de atom. Numărul de atom dntr-un gram de matere este de ordnul care este ma mare decât numărul de stele dn unversul vzbl ş care este comparabl cu numărul total estmat de stele dn întreg unversul 2,5. Pentru a se putea exprma ma uşor numerele acestea mar, s-a convent să se foloseasca noţunea de canttate de substanţă, ν a care untate de măsură se numeste mol. Defnţa molulu este aceea de canttate de substanţă care contne exact atâtea spec (atom, molecule, on, untăţ de formule sau alte enttăţ) cât atom exsta în 12 g de 12 C. Pentru că în fzcă untatea de măsură, în sstemul nternatonal, este klogramul ş nu gramul, pentru canttatea de substanţă se obsnueşte să se folosească untatea de kmol. Expermental s-a găst că acest număr de spec sau atom care se gasesc în 12 kg de 12 C este: spec moleculare = , (4) kmol N A 26 ş care este numărul lu Avogadro (ac putem menţona că Avogadro nu a cunoscut valoarea acestu număr care a fost calculat în jurul anulu 1900 de către Sr Joseph John Thomson ca urmare a studlor sale asupra conducţe în gaze, stud pentru care a prmt premul Nobel în anul 1906). Se observă că N A nu este pur ş smplu un număr c o mărme fzcă cu dmensun 5. Astfel dacă o probă conţne N enttăţ specfce, canttatea de substanţă (numărul de klomol) pe care o conţne se poate calcula smplu ca: N ν =. (5) N A În acelaş tmp canttatea de substanţă poate să fe defntă ca raportul dntre masa probe studate, m ş masa molară (sau klomolară) specfcă, µ: m ν =. (6) µ Ma înante am defnt canttatea de substanţă raportată la 12 g dn zotopul 12 C. Dacă putem dentfca un atom după numărul de proton (numărul atomc Z), numărul de neutron nu este unc determnat. Atom cu acelaş număr de proton, dec acelaş număr de electron, dar cu un număr de neutron dfert, dec ş masa atomcă dfertă, se numesc zotop. De exemplu carbonul are tre zotop do stabl 12 C (cu abundenţa naturală 98.9%) ş 13 C (cu abundenţa naturală 1.1%) ş un zotop radoactv 14 C cu peroada de înjumătăţre de 5730 an. Hdrogenul are de asemenea 3 zotop 1 H (cu abundenţa naturală %) ş 2 H (numt ş deuteru cu abundenţa naturală 0.015%) ş un zotop radoactv 3 H (numt ş trtu) cu peroada 10

4 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule de înjumătaţre de an. Apa grea este apa care conţne, în proporţe mult ma mare decât cea normală, zotopul deuteru al hdrogenulu sub forma D 2 O (²H 2 O). Apa grea este utlzată în specal ca moderator de neutron (substanţa care încetneşte neutron rapz pentru a putea nţa reacţ nucleare) în anumte tpur de reactoare nucleare prntre care ş cele de tp CANDU (Canadan Deuteru Uranu) foloste la Cernavodă. Uranul are ş el tre zotop 234 U (cu abundenţa de % folost ca ş combustbl nuclear pentru că are cea ma mcă perodă de înjumătaţre m an), 235 U (cu abundenţa 0.72 %) ş 235 U (cu abundenţa %). FH.02.4 Nvele de organzare ale matere Unul dn obectele de studu ale fzc este ş acela legat de structura matere, de nvelul de organzare a acestea de la cel ma mare la cel ma mc. Astfel se consderă că dametrul unversulu este de ~10 26 m adcă ~ an lumnă. Unversul vzbl este format dn rour de galax, ar dametrul medu al une galax este ~10 21 m adcă ~10 5 an lumnă. Galaxa noastră se aprecază că are aproxmatv stele. Dametrul sstemulu nostru solar este m (ac este nclusă ş fosta planetă Pluto), al Soarelul m ar al Pământulu m Ref. 2. Substanţa dn unvers, caracterzată cel ma uşor de numărul de nucleon (neutron ş proton) ş nu de numărul de atom, pentru că aceasta se gaseşte în cea ma mare parte sub formă de plasmă este de ordnul de mărme 10 80±2. Se aprecază că în soare ar f un numar de nucleon, ar într-o planetă locută (de oamen) ar exsta nucleon. La un alt nvel, creaţle umane dntre cele ma mar au ordnul de mărme a câtorva metr până la sute de klometr aşa cum ar f autostrăzle moderne sau marele zd chnezesc. Astfel înălţmea turnulu Efel este de 320 m, a mar pramde dn valea reglor este de 150 m, Fgura 1 Sstemul solar comparat

5 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule Fgura 2 Compararea unora dntre cele ma mpresonante construcţ rezultate în urma actvtăţ umane cu cateva dn creaţle natur 10. a statu lbertăţ dn New York este de 93 m, ar a staţe spaţale nternaţonale este de 108 m în tmp ce modul lunar Apollo avea numa 9 m. Lungmea unu Boeng 747 este de 70 m ar a rachete Saturn V este de 110 m (vez Fg. 2). La un nvel de ordnul metrlor este corpul unu om adult dar ş cea ma mare floare dn lume Rafflesa, în tmp ce vermele de pământ ggant poate ajunge la 3 m lungme. Tot la 3 m poate să ajunga anvergura arplor unu albatros sau dmensunle unu crab japonez, la 5 m înălţme poate să ajungă un elefant în tmp ce înălţmea une plante de floarea soarelu poate să ajungă la 2.5 m. Înălţmea unu Tyranosaurus Rex a fost estmată la 7 m în tmp ce lungmea celu ma mare dnozaur cunoscut, Amphlcoelas Fraglmus, a fost de 60 m. Fgura 3 Câteva exemple de organzare a matere la dmensunea corpulu uman adult

6 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule Fgura 4 Câteva exemple de organzare a matere de ordnul centrmetrlor 10. La un alt nvel de organzare, observăm cea ma mcă pasăre, Colbr de 10 cm ş care poate să bată dn arp de de or pe secundă. Un ou de gană are 5.5 cm ar o boabă de cafea este de ordnul a 1 cm, în tmp ce dmensunea une furnc este de 4 mm. Un frcel de nsp este de ordnul a 0.5 mm ar cea ma mare bactere are 750 µm sau m ar un grăunte de sare are cam 200 µm. Cel ma mc punct care poate să fe observat cu ochul uman este de ordnul de mărme a 100 µm, o dmensune apropată de aceea a ovululu uman (120 µm). Un exemplu de celulă care nu ma poate f observată fără ajutorul mcrospopulu este aceea a une celule de pele 35 µm. Dmensunea leucoctelor este de ordnul a 10 µm ar a celulelor ros 7 µm. Fgura 5 Câteva exemple de organzare a matere de ordnul sub mcrometrlor

7 Fzca *F* FH. Fzca Atomulu ş a Molecule Fgura 6 Câteva exemple de organzare a matere de ordnul nanometrlor 10. Ma mcă decât un cromozom de 4 µm este bactera E-col care are numa 2 µm. Lungmea de undă a lumn de culoare roşe poate să abă 0.75 µm sau 750 de nm. Cel ma mare vrus (Mmvrus vez Fg. 5) are 440 nm în tmp ce cel ma mc obect vzbl cu mcroscopul optc este de ordnul a 200 nm. Ma mc decât această valoare este vrusul HIV care are 90 nm în tmp ce o poartă a unu tranzstor modern are numa 25 nm. Dametrul acdulu dezoxrbonuclec (ADN-ul) are 3 nm ş poate contne atom. Cam de aceeaş dmenune sunt fosfolpdele (2.5 nm) lpde care consttue membranele celulare. Dametrul atomulu de Cs este de m sau 2.3 Å în tmp ce dmensunea molecule de apă este de 2.8 Å (vez Fg. 6). Cel ma mc punct vzbl cu ajutorul mcroscopulu electronc este de 0.5 Å dec nu ma putem observa un atom de hdrogen care are 31 pm sau m. Uranul, care este cel ma mare element natural are dametrul nuclear de 15 fm sau m în tmp ce nucleul atomulu de helu are numa m, ar dametrele protonlor ş ale neutronlor sunt de m. Deş neconfrmate, se consderă că domenul de acţune a forţelor slabe este de m ar dmensunea unu quark ar f de m. Un neutrno (ν) de înaltă energe ar avea dmensunea de m ar dmensunea unu neutrno obşnut, care poate să treacă nestnghert prn matere este de ~ m. În sfârşt cea ma mcă dmensune posblă (descrsă de prncpul de ncerttudne a lu Hesenberg) este aceea dată de lungmea Planck. La această dmensune se consderă că ar acţona ce ma mc consttuenţ a matere cum ar f corzle (vez strng theory) care sunt elemente undmensonale, sau membranele. Tot la această scală de mărme se consderă că unversul are ma multe dmensun ascunse de unde ş conceptul de p-brane. 14