Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013 Axa prioritară nr. 1 Educaţiaşiformareaprofesionalăînsprijinulcreşteriieconomiceşidezvoltăriisocietăţiibazatepecunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.2 Calitateînînvăţământulsuperior Numărulde identificareal contractului:posdru/156/1.2/g/138821 Beneficiar:UniversitateaPOLITEHNICA din Bucureşti Titlulproiectului: Calitate, inovare, comunicare-instrumenteeficienteutilizatepentrucreştereaaccesuluişipromovabilităţiiînînvăţământulsuperior tehnic Activitatea A5. Introducerea unor module specifice de pregătire a studenţilor în vederea asigurării de şanse egale MODUL DE INSTRUIRE: CHIMIE Curs: 1 Grupele: G4, G5, G6 Formator: conf. dr. ing. Aurelian Cristian Boscornea 1POSDRU/156/1.2/G/138821 Octombrie/ 2015
Notiuni fundamentale Atomul: - este cea mai mică particulă dintr-o substanță care prin procedee chimice obișnuite nu poate fi divizată în alte particule mai simple, fiind unitatea structurala a chimiei. Element: o substanta compusa din acelasi tip de atomi (toti atomii au acelasi numar deprotoni) Molecula: unitate compusa din doi sau mai multi atomi legati prin legaturi chimice; Molecula este cantitatea cea mai mica dintr-o substanţă care poate exista ȋn stare liberă şi care posedă proprietăţile substanţei respective. Compus chimic: o substanta formata din 2 sau mai multe elemente diferite legate prin legaturi chimice. Amestec: o combinatie din doua sau mai multe substante care nu sunt legate prin legaturi chimice. 2POSDRU/156/1.2/G/138821
Atomul -particulă materială universală; -este constituit din particulele subatomice. De interes în studiul chimiei sunt particulele subatomice: protonul, neutronul şi electronul. -constă într-un nor de electroni care înconjoară un nucleu atomic dens. Nucleul conține sarcini electrice încărcate pozitiv (protoni) și sarcini electrice neutre (neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încărcat negativ. Particula Sarcina electrica relativa* Masa (Kg) Masa Relativă* Proton +1 1,672621 10 27 1 Neutron 0 1,674927 10-27 1 Electron -1 9,109382 10 31 1/1836 3POSDRU/156/1.2/G/138821 * relativ la proton
Numărul protonilor din nucleu, denumit număr atomic (Z) este egal cu numărul electronilor din învelişul de electroni al unui atom, astfel încât, atomul este neutru din punct de vedere electric. Suma dintre numărul particulelor grele, numărul neutronilor (N) şi numărul protonilor (Z) reprezintă numărul de masă (A). Atomii caracterizaţi de acelaşi număr atomic Z, dar care au numere de masă A diferite (număr de neutroni diferit) reprezintă izotopii unui element. Totalitatea izotopilor cu acelaşi număr atomic Z constituie un element chimic.. A Z E 4POSDRU/156/1.2/G/138821
Exercitii: 1. Un izotop al cobaltului (Z=27) este utilizat in terapia prin radiatie a cancerului. Acest izotop are 33 de neutroni. Care este simbolul sau? 2. Unul din cele mai periculoase componente ale deseurilor radioactive este 90 38Sr care este un izotop radioactiv al strontiului. Cati protoni are in nucleu? Dar cati neutroni? 3. Un element oarecare din sistemul periodic are simbolul 56 E 26 3 5POSDRU/156/1.2/G/138821 Precizati cati protoni, neutroni si electroni are.
Unitatea atomică de masă, (notaţie: u.a.m, u sau dalton -Da), care reprezintă fracţia 1/12 din masa izotopului 12 C u.a.m= 1,660538782 10-27 kg Ṁasa atomică relativă a unui element E (notaţii: Ar(E), M A ) reprezintă numărul care arată de câte ori este mai mare masa atomului unui element faţă de u.a.m. Se exprimă în u, u.a.m sau dalton. Deoarece majoritatea elementelor sunt poliizotopice, se calculează o masă medie -ponderată (funcţie de abundenţa terestră şi masa) astfel încât, adesea rezultă valori fracţionare. În calcule uzuale se pot folosi numere întregi. De exemplu cazul oxigenului: Ar(O) = 15,9994 u reprezintă masa medie, aproximată la Ar(O) = 16 u(izotopi: 16 O, 99,760%; 17 O, 0,039%, 18 O, 0,201%). Masa moleculară relativă(notaţie Mr) reprezintă numărul care arată de câte ori este mai mare masa unei molecule faţă de unitatea atomică de masă, u. mol day : 6:02 10/23 Unitatea de măsură a cantităţii de substanţă chimică se numeşte mol; acesta conţine un număr de entităţi materiale (atomi, molecule, ioni) egal cu numărul lui Avogadro, N A =6,02214179 10 23 mol -1 6POSDRU/156/1.2/G/138821
Exercitii 1. Calculati masa atomica a clorului cunoscand urmatoarele date: Abundenta naturala (%) Masa atomica (dalton) 35 17Cl 37 17Cl 75.77 34.9689 24.23 36.9659 2. Cat este masa atomica a clorului exprimata in kg? 3. Care este masa unui mol de Cl? 7POSDRU/156/1.2/G/138821 4. Cati atomi de Cl se gasesc in 71g Cl?
Sistemul periodic al elementelor Primul sistem unitar de clasificare a elementelor a fost elaborat de către D. I. Mendeleev având drept criteriu iniţial, masa atomică a elementelor. Cele 63 de elemente cunoscute în acea perioadă au fost organizate în şiruri orizontale (perioade) şi verticale (grupe) păstrând câteva locuri libere acolo unde nu se cunoştea elementul, dar a cărui existenţă era anticipată.. Legea periodicităţii elaborata de Mendeleev: proprietăţile elementelor sunt funcţii periodice ale maselor atomice. Ulterior, studiul sistematic al spectrelor de raze X efectuat de G. Moseley(1913-1914) a confirmat valabilitatea unui nou criteriu, cel al numerelor atomice Z, care a dus la reformularea legii periodicităţii: proprietăţile elementelor sunt funcţii periodice ale numărului atomic, Z. Sistemul periodic folosit ȋn momentul de faţă este format din şiruri orizontale, numite perioade, ȋn număr de 7 şi coloane verticale, numite grupe, ȋn număr de 18. 8POSDRU/156/1.2/G/138821
9POSDRU/156/1.2/G/138821
POSDRU/156/1.2/G/138821 - configuraţia electronică a atomilor variază periodic odată cu creşterea numărului atomic Z; - ȋn consecinţă toate proprietăţile atomice ce depind de structura ȋnvelişului electronic vor varia ȋntr-un mod periodic. Structura învelişului electronic al atomului Electronul este interpretat, conform mecanicii cuantice, ca o particulă în mişcare foarte rapidă în jurul nucleului, căreia i se asociază imaginea unui nor de sarcină negativă, de densitate variabilă în raport cu sistemul de axe de coordonate. Teoria lui E. Schrődinger arată că, din considerente energetice, electronul există cu o anumită certitudine (probabilitate 95 %) într-o zonă (element de volum), denumită orbital atomic, în care norul electronic are densitate maximă. Electronii sunt asociaţi cu mici sfere încărcate electric, care generează un câmp magnetic, prin mişcarea de spin. Teoria consideră că densitatea de sarcină este maximă, prin ocuparea orbitalului cu doi electroni de spin opus, denumiţi electroni cuplaţi; notaţie, două săgeţi paralele, de sens opus 10
POSDRU/156/1.2/G/138821 Învelişul electronic al atomului -este constituit din totalitatea electronilor care gravitează în spaţiul din jurul nucleului; -aceştia sunt grupaţi în straturi electronice (nivele energetice), care diferă prin distanţa faţă de nucleu şi prin energia electronilor (E1, E2.,.En); fiecare strat este format din unul sau mai multe substraturi electronice. Substraturile unui strat diferă prin energie şi prin numărul maxim de electroni pe care îi pot conţine. Electronii care aparţin unui anumit substrat au aceeaşi energie. Într-un atom pot exista n straturi electronice; acestea se notează, cu litere: K, L, M,..., Q sau cu numere arabe, respectiv n=1, 2, 3,...7. Energia electronilor depinde de distanţa (interacţia) faţă de nucleu. Stratul cel mai apropiat de nucleu (K) are energia minimă şi se numeşte nivel / strat fundamental. Electronii unui atom, care populează ultimul strat electronic (cel mai îndepărtat de nucleu, considerat exterior) au cea mai mare energie şi sunt denumiţi electroni de valenţă. Un strat n conţine maximum 2n 2 electroni. 11
POSDRU/156/1.2/G/138821 Substraturile electronice ale unui strat au energii apropiate şi sunt formate din orbitali atomici de acelaşi tip. Substraturile se notează cu litere s, p, d, f precedate de numărul stratului electronic (1s, 2s, 2p,...4d,..5f). Numărul electronilor este marcat prin indicele superior (1s 2., 4f 14 ). Fiecare orbital atomic se caracterizează printr-o anumită energie şi formă, în funcţie de distanţa faţă de nucleu. 12 Un orbital poate fi ocupat de maximum doi electroni de spin opus.
POSDRU/156/1.2/G/138821 Orbitalii reprezintă regiuni în jurul nucleului, de energie, formă şi orientare exact determinate de funcţia de undă Ψ n l m, în care electronii au acces (există cu probabilitate maximă), dar care nu sunt întotdeauna populate cu electroni. Cea mai uzuală reprezentare grafică a acestora redă suprafeţele de maxim şi de minim ale soluţiilor matematice ale ecuaţiei lui Schrődinger. 13
POSDRU/156/1.2/G/138821 Configuraţia electronică a atomilor reprezintă distribuţia electronilor în învelişul de Z electroni al unui atom. Popularea cu electroni se face prin amplasarea succesivă în orbitali atomici, pe nivele şi subnivele energetice a câte unui electron (electron distinctiv) până la realizarea numărului atomic Z. Principiul de construcţie a învelişului de electroni. Principiul energetic: nivelele energetice existente în atom se ocupă consecutiv, în ordinea crescătoare a energiei acestora: E 1 < E 2 <... < E n. Succesiunea ocupării nivelelor este dată de sensul creşterii valorilor lui n. (principiul Aufbau). 14
POSDRU/156/1.2/G/138821 Principiul lui Pauli (principiul excluziunii): într-un orbital nu pot exista doi electroni cu aceeaşi stare energetică. Regula lui Hund (regula multiplicităţii maxime). Se referă la ocuparea cu electroni a orbitalilor care fac parte din acelaşi substrat energetic. Aceasta stabileşte că: un orbital (np, nd, nf) nu poate fi ocupat cu doi electroni decât după ce toţi orbitalii substratului respectiv au fost ocupaţi cu câte un electron de spin paralel (electroni impari). Starea de semiocupare (p 3, d 5, f 7 ) conferă o anumită stabilitate structurii electronice. Stabilitatea maximă este atinsă în stările cu toţi electronii cuplaţi (exemplu gazele nobile). 15
POSDRU/156/1.2/G/138821 Exercitii 1. Completati configuratiile electronice pentru urmatorii compusi precizand si dispunerea energetica a electronilor pe stratul de valenta: Z = 1 Hidrogen Z = 2 Heliu Z = 3 Litiu Z = 4 Beriliu Z = 5 Bor Z = 6 Carbon Z = 7 Azot Z = 8 Oxigen Z = 9 Fluor Z = 10 Neon Z = 20 Calciu Z = 21 Scandiu Z = 22 Titan Z = 23 Vanadiu Z = 24 Crom Z = 25 Mangan Z = 26 Fier Z = 27 Cobalt 2. Pentru urmatoarele elemente stabiliti pozitia in sistemul periodic: a. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 b. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 c. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4 p 5 Z = 34 Seleniu Z = 35 Brom Z = 36 Kripton 16 d. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2
POSDRU/156/1.2/G/138821 2. Elementul X are urmatoarea configuratie electronica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3 10 4p 4 a. Localizati pozitia sa in tabelul periodic. 3. Pe baza datelor din sistemul periodic identificaţi elementele corespunzatoare : Caracteristicile elementului Element din perioada a treia, cu substratul p semiocupat Ionul divalent are configuraţia electronică: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Au substratul d semiocupat şi aparţin perioadelor 4 şi 5 Au substratul d semiocupat şi aparţin perioadelor 4 şi 5 Are configuraţia electronică cu 10 orbitali d, 9 orbitali p, 5 orbitali s, cu toţi electronii cuplaţi Formează ioni monovalenţi izoelectronici cu 36 Kr Element 17