CHIMIE ANORGANICA

CHIMIE ANORGANICA

1. INTRODUCERE

- ATOMUL IZOLAT SI COMPONENTELE SALE

o Nucleul atomic

o Structura invelisului electronic

o Configuratia electronica a atomilor

- ELEMENTE CHIMICE

- SISTEMUL PERIODIC AL ELEMENTELOR

o Structura sistemului periodic

o Blocuri de elemente

o Relatia dintre structura invelisului electronic si pozitia elementelor in sistemul periodic

o Proprietati ale elementelor cu variatie periodica

Materia are un caracter discontinuu, fiind constituita din atomi, care la randul lor sunt alcatuiti din particule fundamentale subatomice; dintre acestea, cele mai bine studiate sunt protonul, neutronul si electronul.

Protonii si neutronii se gasesc in nucleu - partea centrala a atomului, cu un volum restrans, extrem de dens, in care se concentreaza aproape intreaga masa a atomului. Legatura dintre nucleoni este asigurata de forte nucleare - forte puternice, fara analogie in fizica clasica, care actioneaza pe distante mici.

Electronul este particula materiala purtatoare a celei mai mici sarcini electrice negative - 1.6022 . 10-19 C. in atom, electronii se deplaseaza in jurul nucleului in mod haotic, in cadrul orbitalilor, avand totodata o miscare de rotatie in jurul propriei axe (miscare de spin).

invelisul electronic este de 1013 - 1014 ori mai voluminos decat nucleul; este constituit din totalitatea electronilor care se deplaseaza in jurul nucleului. Starea energetica a electronilor in invelisul electronic este determinata de 4 parametrii (numere cuantice). Functie de valorile pe care le au acesti parametrii, electronii sunt structurati pe straturi, substraturi si orbitali.

Electronii nu se distribuie oricum in invelisul electronic, ci in conformitate cu anumite legitati: principiul stabilitatii (principiul minimului de energie), principiul excluziunii (Pauli), regula lui Hundt, "regula sumei". Formula electronica (configuratia electronica) reprezinta distributia electronilor unui atom pe straturi, substraturi si orbitali, in ordinea crescatoare a energiei.

in stare elementara, majoritatea substantelor sunt instabile; exceptie fac gazele nobile (elementele grupei VIIIa), care se remarca printr-o deosebita stabilitate. Stabilitatea atomilor gazelor rare a fost atribuita configuratiei lor electronice distincte, in care se remarca ocuparea completa a ultimului strat, configuratia electronica ns2np6 fiind considerata ca o configuratie de referinta in ceea ce priveste stabilitatea. Celelalte elementele chimice tind sa-si realizeze o asemenea configuratie fie prin cedare sau acceptare de electroni (transformandu-se in ioni), fie prin punerea in comun a electronilor proprii cu electronii unui alt atom (formand astfel molecule).

Consecinta tendintei atomilor elementelor de a forma configuratii electronice cat mai stabile este caracterul lor electrochimic (electropozitivitate, respectiv electronegativitate); variatia acestui caracter in sistemul periodic este strans legata de configuratia electronica a atomilor elementelor chimice si implicit, de pozitia acestora in sistemul periodic. Caracterul electrochimic determina proprietatile chimice ale elementelor, tipul de legaturi chimice care se pot stabili intre atomi, polaritatea legaturilor, distantele interatomice.

Elementele chimice sunt specii de atomi cu acelasi numar atomic Z. Elementele difera prin sarcina nucleara (numarul de protoni din nucleii atomilor din care sunt constituite) si prin numarul de electroni din invelisul electronic. La aceasta data se cunosc 116 elemente chimice, din care 92 naturale, restul - transuraniene - fiind artificiale. Elementele se caracterizeaza prin numarul atomic, masa atomica si prin numarul de masa. Nuclizii sunt specii de atomi care se clasifica functie de Z si A in izotopi, izobari si izotoni.

Sistemul periodic al elementelor este un sistem de clasificare a elementelor chimice realizat pe baza legii periodicitatii ("structura atomilor elementelor variaza periodic cu Z si determina proprietatile elementelor chimice"). Sistemul periodic (forma lunga) este structurat in perioade si in grupe, fiind cea mai cuprinzatoare sinteza a relatiilor dintre elemente

Dupa tipul orbitalilor in care se gaseste electronul distinctiv, in sistemul periodic al elementelor se pot delimita 4 blocuri: s, p, d si f. Blocurile s si p sunt formate din elementele grupelor principale, blocul d cuprinde metalele tranzitionale iar in blocul f se afla lantanidele si actinidele. Structurarea sistemului periodic in blocuri de elemente permite cu usurinta intuirea configuratiei electronice a unui element: este suficienta localizarea elementului respectiv in sistemul periodic - parcurgerea mentala a zonelor ocupate de elementele cu Z mai mic, ocupante a diferitor blocuri, releva configuratia electronica a elementului in cauza.

intre pozitia elementelor in sistemul periodic si structura invelisului electronic exista o stransa relatie, concretizata in urmatoarele aspecte:

- numarul total de electroni este numarul de ordine (Z) al elementelor in sistemul periodic;

- numarul de straturi electronice ale atomilor este egal cu numarul perioadei;

- in cazul elementelor din grupele principale, numarul electronilor de valenta este egal cu numarul grupei din care face parte elementul respectiv.

Proprietatile chimice si majoritatea proprietatilor fizice ale elementelor sunt determinate de structura invelisului electronic al atomilor lor (in special de stratul periferic); variatia lor este discontinua, permitand gruparea pe verticala a elementelor in sistemul periodic. Cateva din cele mai importante proprietati sunt: raza si volumul atomic, densitatea, punctul de topire si punctul de fierbere, energia de ionizare (potential de ionizare), afinitatea pentru electroni, valenta (valenta fata de hidrogen, valenta fata de oxigen). Pentru fiecare din aceste proprietati se prezinta definitia, modul de variatie in sistemul periodic, cateva exemple corespunzatoare valorilor extreme ale proprietatilor respective.

2. BLOCURI DE ELEMENTE

2.1. ELEMENTELE BLOCULUI S

- Hidrogenul

- Metalele alcaline

- Metalele alcalino - pamantoase

Elementele blocului s sunt metale cu puncte de topire joase, cu caracter electropozitiv accentuat, care formeaza compusi in starea de oxidare caracteristica grupei. in cadrul fiecarui subcapitol sunt prezentate: raspandirea, modul de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietatile fizice, proprietatile chimice si principalele utilizari.

2.2. ELEMENTELE BLOCULUI P

- Elementele grupei a VIIa (halogenii)

o Clorul

- Gazele inerte

- Azotul

- Carbonul

- Oxigenul si combinatii ale acestuia

o Oxigenul

o Ozonul

o Apa

o Dioxidul de carbon

o Oxidul de calciu

o Dioxidul de titan

Structura elementelor din grupa VIIa (halogeni) si respectiv aceea a elementelor din grupa VIIIa (gaze nobile) este mult mai asemanatoare decat la alte grupe din blocul p. Primele formeaza molecule diatomice si sunt deosebit de reactive, in timp ce ultimele sunt gaze monoatomice cu reactivitate extrem de scazuta. Dintre halogeni, elementul clor este cel mai important din punct de vedere industrial.

in cadrul fiecarui subcapitol sunt prezentate: raspandirea, modul de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietatile fizice, proprietatile chimice si principalele utilizari.

Oxigenul este elementul cel mai raspandit in natura; se gaseste liber in aerul atmosferic (cca.20% vol.) si in combinatii (apa, oxizi, silicati, sulfati, carbonati, etc.). Se obtine industrial prin distilarea fractionata a aerului lichid si prin electroliza apei. Este un gaz biatomic incolor, inodor, putin solubil in apa; cu exceptia gazelor rare, toate elementele chimice formeaza combinatii cu oxigenul. Este indispensabil vietii omului, scaderea continutului in oxigen al aerului atmosferic sub 7% producand moartea.

in cadrul fiecarui subcapitol sunt prezentate: raspandirea, modul de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietatile fizice, proprietatile chimice si principalele utilizari.

2.3. ELEMENTELE BLOCULUI D

in blocul d se regasesc elemente chimice ai caror atomi sau ioni au orbitali d incomplet ocupati cu electroni (majoritatea elementelor cunoscute); acestea au caracter metalic si formeaza grupele secundare ale sistemului periodic. Elementele tranzitionale sunt dispuse in 4 serii (3 a cate 10 elemente, a patra fiind incompleta), denumite serii de tranzitie. Aceste elemente sunt metale tipice, care prezinta insa si unele trasaturi specifice. Desi elementele blocului d reprezinta majoritatea elementelor chimice, abundenta lor este sub 0.01%

in cadrul acestui capitol sunt prezentate: configuratia electronica, seriile de tranzitie, proprietatile generale ale metalelor tranzitionale precum si importanta si utilizarile celor mai importante metale tranzitionale.

2.4. COMBINATII COMPLEXE

- Structura

- Nomenclatura

- Complecsi cu utilizari si importanta practica

Una dintre cele mai importante proprietati ale metalelor tranzitionale este capacitatea de a forma complecsi. Complecsii sunt ansambluri realizate de catre liganzi in jurul unui atom sau ion central; se caracterizeaza prin numere de coordinare si geometrii caracteristice.

In structura complecsilor se pot distinge o sfera de coordinare si o sfera de ionizare. in sfera de coordinare se remarca un generator de complex, inconjurat de un numar de liganzi (adenzi). Numarul de liganzi se mai numeste si numar de coordinare.

O combinatie complexa se caracterizeaza prin faptul ca isi mentine identitatea sferei de coordinare chiar in solutie, in timp ce ionii care se gasesc in sfera de ionizare sunt total disociati in solutie apoasa. Proprietatea de a forma combinatii complexe se intalneste in general la toate metalele; cele mai numeroase si cele mai stabile combinatii complexe le realizeaza insa metalele tranzitionale.

in cadrul subcapitolului sunt prezentate: clasificarea combinatiilor complexe, tipuri de liganzi, reguli de scriere a formulei unei entitati complexe si nomenclatura combinatiilor complexe. Dintre complecsii cu utilizari si importanta practica sunt prezentati: hidroxidul de tetraammincupru (I)- [Cu(NH3)4](OH)2, hidroxidul de diamminargint (I) - [Ag(NH3)2]OH, tetrahidroxoaluminatul (III) de sodiu - Na[Al(OH)4], hexacianoferatul (II) de potasiu K4(Fe(CN)6] . 3 H2O, complexonul III (EDTA), complecsi interni. Sunt precizate metode de obtinere si principale utilizari.

3. ACIZI, BAZE, SARURI

- Teoria disociatiei electrolitice (Arhenius)

- Constanta de ionizare a acizilor si bazelor slabe

- Teoria protolitica (a transferului de protoni - Bronsted, Lowry)

- Teoria electronica (Lewis)

Notiunile "acid" si "baza" au fost definite in mod diferit, functie de evolutia cunoasterii stiintifice. Sunt prezentate principalele teorii asupra acizilor si bazelor, aspecte calitative si cantitative care decurgeau din fiecare din aceste teorii, avantaje si limitari aferente fiecareia.

Una din modalitatile de apreciere a tariei acizilor si bazelor slabe este prin intermediul constantei de ionizare (un acid sau o baza sunt cu atat mai tari cu cat valoarea Ka (Kb) este mai mare. Pentru evitarea valorilor mici, s-a recurs si in cazul acesta la folosirea logaritmilor zecimali cu semn schimbat ai acestor constante (pKa, pKb - exponentul constantei de aciditate, respectiv de bazicitate); si acestia sunt o masura a tariei acizilor si respectiv a bazelor - cu cat valoarea lor este mai mica, cu atat acidul sau baza sunt mai tari. Constantele de aciditate, respectiv de bazicitate se pot exprima si cu ajutorul gradului de disociere electrolitica, tinand cont de echilibrele prezente in solutii apoase. in cadrul teoriei lui Bronsted acizii si bazele sunt substante conjugate; intrucat protonul nu poate exista liber, pentru ca acizii sa-si poata manifesta caracterul acid este necesara prezenta unor baze care sa preia protonii eliberati. Fiecarui acid ii va corespunde asadar o baza conjugata si reciproc. Substantele capabile sa reactioneze atat cu acizi, cat si cu baze se numesc amfoliti (substante amfotere).

3.1. ACIZI

- Clasificare

- Nomenclatura

- Metode generale de obtinere

- Proprietati fizice

- Proprietati chimice

- Reprezentanti: acidul sulfuric, acidul fosforic, acidul azotic, acidul clorhidric

Acizii pot fi clasificati dupa tarie, dupa numarul de protoni ionizabili sau dupa structura lor. in stare pura, acizii sunt formati din molecule neionizate, majoritatea fiind substante gazoase sau lichide. Proprietatile generale ale acizilor sunt caracteristice solutiilor lor apoase. Acizii disociaza in solutie (complet - cei tari, sau partial - cei slabi); acizii polibazici disociaza in trepte, in general prima treapta caracterizandu-se prin cel mai mare grad de disociere. Un acid tare poate pune in libertate din sarurile lor acizi mai slabi decat el. Un acid slab poate pune in libertate din saruri acizi mai tari decat el doar cand acidul slab este mai putin volatil decat acidul tare sau cand acidul slab formeaza cu metalul sarii cu care reactioneaza o sare foarte greu solubila. Unii oxiacizi au proprietati oxidante (mai ales in solutii concentrate sau in stare pura). Prin incalzire, oxiacizii se descompun in apa si un oxid. Pentru obtinerea acizilor se folosesc urmatoarele metode generale: 1. reactia dintre o sare a acidului si un acid care-l poate dislocui din sarea respectiva; 2. sinteza directa din elemente; 3. reactia oxizilor acizi cu apa. in cazul fiecarui reprezentant sunt prezentate: structura, metode de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietati fizice, proprietati chimice, principale utilizari.

3.2. BAZE

- Clasificare

- Nomenclatura

- Metode generale de obtinere

- Proprietati fizice

- Proprietati chimice

- Reprezentanti: hidroxidul de sodiu, hidroxidul de calciu, amoniacul

Conform teoriei disociatiei electrolitice, bazele sunt definite ca substante care in solutie apoasa pun in libertate ioni hidroxil, proprietatile lor generale fiind atribuite practic acestor ioni din solutie. Bazele pot fi clasificate dupa tarie, dupa solubilitate si dupa numarul de grupari hidroxilice. Majoritatea bazelor sunt substante solide; hidroxizii metalelor alcaline sunt solubili in apa, cei ai metalelor alcalino - pamantoase sunt mai putin solubili iar hidroxizii celorlaltor metale sunt greu solubili. Cu exceptia hidroxizilor metalelor alcaline, ceilalti hidroxizi pierd apa prin incalzire, trecand in oxizi.

in cazul fiecarui reprezentant sunt expuse: structura, metode de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietati fizice, proprietati chimice, principale utilizari.

3.3. SARURI

- Clasificare

- Nomenclatura

- Metode generale de obtinere

- Proprietati fizice

- Proprietati chimice

- Reprezentanti: clorura de sodiu, clorura de potasiu, clorura de calciu, sulfatul de sodiu, sulfatul de potasiu, sulfatul de aluminiu, sulfatul de amoniu, azotatul de amoniu, carbonatul de sodiu si hidrogenocarbonatul de sodiu, carbonatul de calciu

- Hidroliza sarurilor.

o Calculul gradului de hidroliza si al pH - ului in solutiile de saruri

- Solutii tampon; capacitate de tamponare.

Sarurile sunt substante care rezulta in urma reactiei dintre un acid si o baza (reactie de neutralizare). Neutralizarea nu este insa unicul tip de reactie care poate conduce la obtinerea sarurilor; reactia oxizilor bazici cu acizii, a metalelor cu acizii a sarurilor cu acizii, sau reactiile de dublu schimb intre doua saruri pot conduce de asemenea la saruri. Functie de raportul de combinare dintre acid si baza la obtinerea unei sari, sarurile se clasifica in saruri acide, saruri neutre si saruri bazice.

Sarurile sunt substante solide, cristaline; majoritatea sunt electroliti tari, majoritatea sunt usor solubile in apa. Multe saruri se separa din solutia apoasa sub forma de cristalohidrati (saruri in compozitia carora intra si molecule de apa).

in cazul fiecarui reprezentant, sunt prezentate: structura, metode de obtinere (in laborator si la scara industriala), proprietati fizice, proprietati chimice, principale utilizari.

La dizolvarea unor saruri in apa se produce o reactie reversibila intre apa si ionii sarii, cu refacerea acidului si a bazei din care a provenit sarea - proces denumit hidroliza. In urma reactiei, solutia devine slab acida sau slab bazica, dupa cum acidul rezultat este mai tare decat baza (Ka > Kb) sau invers (Ka < Kb). Pot hidroliza urmatoarele categorii de saruri: sarurile provenite din acizi tari si baze slabe, sarurile provenite din acizi slabi si baze tari si sarurile provenite din acizi slabi si baze slabe. Sarurile provenite din acizi tari si baze tari nu hidrolizeaza.

Sunt discutate cazurile sarurilor provenite de la: acizi slabi si baze slabe/ acizi tari si baze slabe/ acizi slabi si baze slabe; in fiecare caz se realizeaza deducerea expresiei constantei de hidroliza, a gradului de hidroliza si al pH - ului.

Solutiile tampon sunt sisteme care au capacitatea de a se opune variatiilor de pH; sunt prezentate principalele tipuri de solutii - tampon si mecanismul de tamponare. Sunt definite notiunile: capacitate de tamponare si raport de tamponare, fiind apoi prezentat modul de calcul al variatiei de pH la solutiile tampon.