STRUCTURA ATOMICA A SUBSTANTELOR

STRUCTURA ATOMICA A SUBSTANTELOR

1. Legile clasice ale chimiei si structura atomica a substantelor

Desi ideea structurii corpusculare a materiei a aparut inca din antichitate, teoria atomista a lui Dalton a fost prezentata abia la inceputul secolului al XIX - lea. Datele experimentale obtinute de chimisti au indus convingerea ca substantele sunt formate din atomi indivizibili, indestructibili si invariabili.

Legile clasice ale chimiei (legea proportiilor definite, legea proportiilor multiple), stabilite pe baza observatiilor experimentale, au fost argumente hotaratoare pentru recunoasterea teoriei atomiste a lui Dalton.

Legea proportiilor definite, descoperita de Proust (1799) pe baza observatiei ca substantele au o compozitie constanta, arata ca orice substanta este compusa din aceleasi elemente combinate in acelasi raport de masa. Cu alte cuvinte, compozitia unei substante este constanta si bine definita. Un exemplu simplu, in acest sens, este dat de sulfura de fier, care se poate obtine prin reactia directa dintre sulf si fier. S-a putut constata ca intotdeauna raportul intre masa de fier si masa de sulf care reactioneaza este 7/4 (56 g fier reactioneaza cu 32 g sulf pentru a forma 88 g sulfura de fier).

J.Dalton (1803) a formulat legea proportiilor multiple pentru situatia in care aceleeasi elemente formeaza mai multe combinatii chimice: Daca doua elemente A si B se combina pentru a forma mai multe substante, diferitele mase ale elementului A, care reactioneaza cu aceeasi masa de element B, se gasesc intre ele in rapoarte de numere intregi si mici.

Un exemplu semnificativ, care ilustreaza legea proportiilor multiple, este dat de oxizii azotului (tabelul 1).

Tabelul 1. Oxizii azotului.

Prin urmare, diferitele mase de oxigen, care se combina cu aceeasi masa de azot (14 g), se gasesc intre ele in rapoartele 8:16:24:32:40 = 1:2:3:4:5.

Referindu-se la reactiile intre gaze, Gay-Lussac (1808) a formulat legea volumelor constante: La aceeasi temperatura si presiune, intre volumele gazelor care se combina sau rezulta din reactie exista un raport de numere intregi si mici.

Experienta a demonstrat ca 1 volum de hidrogen se combina cu 1 volum de clor pentru a forma 2 volume de acid clorhidric gazos. Similar, 3 volume de hidrogen reactioneaza cu 1 volum de azot pentru a da 2 volume de amoniac. Aparent, legea volumelor constante a lui Gay-Lussac infirma teoria atomista a lui Dalton, conform careia in reactia dintre 1 volum de hidrogen si 1 volum de clor ar trebui sa rezulte 1 volum de acid clorhidric si nu 2 volume, intrucat un "atom" de hidrogen se combina cu un "atom" de clor pentru a da un "atom" de acid clorhidric. Aceasta contradictie a fost rezolvata de Avogadro (1911), care a aratat ca gazele sunt constituite din molecule biatomice, astfel incat reactiile de mai sus pot fi scrise:

H₂ + Cl₂ 2HCl

3H₂ + N₂ 2NH₃

Conform teoriei lui lui Avogadro, volume egale de gaze, la aceeasi temperatura si presiune, contin un numar egal de molecule.

Trebuie precizat faptul ca legile clasice ale chimiei au fost elaborate inainte de cunoasterea compozitiei si structurii moleculare a substantelor. Chiar daca in prezent ele par a fi o consecinta fireasca a compozitiei moleculare, rolul pe care l-au avut in dezvoltarea teoriei atomo-moleculare a fost hotarator.

Modele atomice si particule elementare

Descoperirea radioactivitatii si a transformarilor radioactive au dovedit insa complexitatea structurii atomilor. Experientele efectuate de Ernest Rutherford la Universitatea din Manchester (1911) au condus la elaborarea primului model rational al atomului.

In experientele sale, Rutherford a trecut un fascicol de radiatii a de la o sursa de radiu printr-o foita de aur foarte subtire (Fig.1). Particulele a au fost inregistrate pe un ecran cu un strat de sulfura de zinc, pe care particulele a produc scintilatii vizibile la microscop. Intregul dispozitiv experimental este plasat intr-un tub vidat, cu exceptia microscopului.

Fig.1. Schema principiala a dispozitivului folosit in experienta lui Rutherford.

S-a constatat ca majoritatea particulelor a trec nedeviate prin foita metalica, iar o mica parte sunt deviate. Un numar extrem de mic de particule a (aproximativ 1 la 20 000) sunt respinse de metal.

Pe baza acestor experiente, Rutherford a elaborat modelul planetar al atomului. Faptul ca majoritatea particulelor a treceau prin foita de aur (grosimea foitei 6 10^-4 mm) demonstreaza ca atomii au o structura afanata, fiind constituiti dintr-un nucleu central de dimensiuni mult mai reduse decat volumul ocupat de atom, in nucleu fiind concentrata sarcina pozitiva si aproape intreaga masa, iar in jurul nucleului, pe orbite circulare, se deplaseaza electronii asemenea planetelor in jurul soarelui, de unde provine si numele modelului. Numai particulele a care intra in coliziune cu nucleul sunt respinse, iar cele care trec in imediata vecinatate a nucleului sunt deviate. Electronii au masa si dimensiunile prea mici pentru a respinge particulele a, sarcina lor negativa provocand doar o usoara deviere a acestora (Fig.2).

Fig. Fluxul de particule a printr-un atom.

Modelul planetar al atomului contravine insa legilor electrodinamicii clasice, conform carora electronii, in miscarea lor continua in jurul nucleului, ar trebui sa piarda energie prin radiatie electromagnetica si sa cada, in final, pe nucleu. Aceasta contradictie a fost rezolvata de Niels Bohr (1913) prin formularea a 3 postulate care nu sunt in acord cu electrodinamica clasica:

Postulatul I: Electronul se poate roti in jurul nucleului doar pe anumite orbite (orbite impuse);

Postulatul II: In deplasarea pe o orbita permisa, electronul nu emite si nici nu absoarbe energie (nu radiaza unde electromagnetice);

Postulatul III: Atomul poate absorbi sau emite energie radianta doar de anumite frecvente, care corespund tranzitiilor electronice de pe o orbita pe alta.

Orbitele circulare pe care se pot deplasa electronii sunt situate la anumite distante fata de nucleu, caracterizate de numarul cuantic principal n. Modelul Bohr al atomului (Fig.3), a fost completat de A.Sommerfeld (1916), care pe baza analizei spectrului hidrogenului, a aratat ca orbitele permise ale electronilor pot fi si eliptice (Fig.4).

Fig.3. Modelul Bohr. Fig.4. Modelul Bohr-Sommerfeld.

Cercetarile efectuate in domeniul radioactivitatii au demonstrat ca atomul are o structura complexa si in constitutia sa intra particule de dimensiuni mult mai reduse, cum sunt electronii si protonii, numite particule elementare.

Descoperirea electronilor (J.J.Thomson, 1897) si a protonilor (Rutherford, 1914), a fost urmata de descoperirea neutronilor (J.Chadwick, 1932). Numarul de particule elementare descoperite pana in prezent depaseste 30, dar pentru chimie, cele mai importante sunt electronul, protonul si neutronul. Protonii si neutronii, care alcatuiesc nucleul atomului, sunt denumiti nucleoni.

Principalele caracteristici ale particulelor elementare sunt redate in tabelul

Tabelul Caracteristicile particulelor elementare.

Trebuie remarcat faptul ca protonii si neutronii au mase apropiate, in timp ce electronul este mult mai usor, avand masa de 1836 de ori mai mica decat a protonului si de 1838 de ori mai mica decat masa neutronului.

3. Numar atomic, numar de masa, element chimic

Numarul de protoni din nucleul unui atom reprezinta numarul atomic (Z), in timp ce numarul de nucleoni desemneaza numarul de masa (A). Prin urmare, numarul de neutroni din nucleu va fi: N = A - Z. Intrucat atomul este neutru din punct devedere electric, numarul de electroni ai unui atom este egal cu numarul de protoni.

Specia de atomi cu acelasi numar atomic Z reprezinta un element chimic. Simbolurile chimice ale elementelor au fost propuse de Berzelius (1813). In majoritatea cazurilor ca simbol s-a ales prima sau primele doua litere ale denumirii latine a elementului chimic, de exemplu:

Hydrogenium - H Aurum - Au

Nitrogenium - N Cuprum - Cu

Carbon - C Silicium - Si

Oxygenium - O Ferrum - Fe

Phosphorus - P Tellurium - Te

Sulphur - S Natrium - Na

Fluorum - F Aluminium - Al

Restul elementelor chimice au ca simbol prima litera a numelui latin, urmata de o consoana, mai rar vocala, din numele elementului:

Hydrargirum - Hg Strontium - Sr

Stibium - Sb Protactinium - Pa

Platinum - Pt Plutonium - Pu

In situatiile in care este necesar, de exemplu la reprezentarea izotopilor, se pot indica numarul atomic Z - indice la stanga simbolului - precum si numarul de masa - ca exponent, tot la stanga simbolului:

Cu mici exceptii, simbolurile stabilite de Berzelius se pastreaza si in prezent. Lista alfabetica a elementelor chimice este data in tabelul 4.

Exista atomi care, desi au acelasi numar atomic Z, deci atomi apartinand aceluiasi element, difera prin numarul de neutroni. Aceste specii atomice se numesc izotopi.

Cel mai simplu element este hidrogenul (H). Nucleul atomului de hidrogen este format dintr-un singur proton, iar invelisul electronic dintr-un singur electron. Acesta este hidrogenul usor (protiu). Hidrogenul mai are doi izotopi:

- hidrogenul greu sau deuteriu (sau D),

- hidrogenul supragreu sau tritiu (sau T).

Ponderea naturala a izotopilor hidrogenului: - 99,985 %; - 0,015 %; - procent extrem de mic.

Abundenta elementelor in scoarta exterioara a Pamantului a fost calculata de F.Clark (1889). Sub numele de parametri Clark este redata compozitia scoartei Pamantului, inclusiv aerul si apa, pana la o adancime de 16 km. In general, majoritatea corpurilor materiale sunt formate din amestecuri de substante, in compozitia carora intra diferite elemente combinate sau chiar necombinate.

Dintre cele circa 110 elemente chimice cunoscute pana in prezent, 88 de elemente au fost identificate in scoarta terestra. Cel mai raspandit element este oxigenul (49,4%), care exista sub forma izotopilor naturali (99,759 %); (0,037 %) si (0,204 %). Cantitati mari de oxigen se gasesc in stare combinata in apa (sub forma de umiditate atmosferica, ape meteorice, terestre si subterane) si in roci. In stare necombinata se gaseste mai ales in atmosfera sub forma moleculelor biatomice (O₂). De asemenea, oxigenul se gaseste in atmosfera sub forma de ozon (molecule triatomice O₃). Oxigenul molecular obisnuit (O₂) si ozonul (O₃) reprezinta forme alotropice ale elementului oxigen.

Al doilea element ca raspandire in scoarta terestra este siliciul (25,75 %), care se gaseste numai sub forma combinata in roci de diferite tipuri.

Dintre elementele metalice, cele mai raspandite sunt: aluminiul (7,51 %), fierul (4,7 %), calciul (3,39 %), sodiul (2,64 %), potasiul (2,4 %), magneziul (1,94 %). Toate aceste elemente metalice se gasesc in natura in stare combinata. Extrem de rar, fierul se gaseste in stare nativa, provenind din meteoriti sau din formatiuni telurice.

Pe langa oxigen, exista si alte elemente care in stare necombinata sunt gaze. In aceasta categorie intra hidrogenul (0,88 %), azotul (0,03 %), fluorul (0,027 %), clorul (0,19 %). Trebuie specificat insa ca si aceste elemente se gasesc mai ales in stare combinata. Hidrogenul, de exemplu, se gaseste mai ales sub forma de apa. Gazele rare (heliul, neonul, argonul, kriptonul, xenonul si radonul) reprezinta o categorie aparte de elemente, considerate o lunga perioada de timp "inerte". Ele se gasesc in stare gazoasa monoatomica.

Singurele elemente lichide, la temperatura camerei, sunt mercurul (2,7 10^-7 %) si bromul (6 10^-4 %), dar mercurul se gaseste rar in stare elementara, iar bromul - numai combinat.

Carbonul, elementul esential pentru existenta vietii, are o abundenta de doar 0,087 %. Necombinat se prezinta sub doua stari alotropice naturale: grafitul si diamantul. Varietatile amorfe de carbon contin particule microcristaline de grafit. O alta stare alotropica a carbonului, descoperita recent, o reprezinta fulerenele.

In stare elementara se gasesc metalele nobile, dar ponderea lor este foarte redusa. De exemplu, abundenta platinei este 2 10^-5 %, iar a aurului - doar 5

Abundenta elementelor in scoarta terestra difera esential de abundenta elementelor in Univers. Astfel, pe Pamant heliul este unul dintre cele mai rare elemente (parametrul Clark este 4,2 10^-7 %), in timp ce in Soare este al doilea element ca abundenta dupa hidrogen. De altfel, heliul a fost identificat pentru prima data, pe baza liniilor spectrale, in Soare, fiind unul dintre cele mai raspandite elemente din Univers. Date recente, obtinute prin metode spectroscopice, indica faptul ca hidrogenul este cel mai raspandit element in Univers (88,6 %), urmat de heliu (11,3 %), impreuna avand o pondere de 99,9 %.

Abundenta elementelor in scoarta terestra este data in tabelul 3.

Tabelul 3. Abundenta elementelor (parametri Clark).

Din caracteristicile particulelor elementare se poate constata ca masa acestora este foarte redusa si este dificil sa se opereze cu asemenea valori. Din acest motiv s-a introdus unitatea atomica de masa (uam). Unitatea atomica de masa reprezinta a 12-a parte din masa atomului de carbon

1 uam = 1,6605 10^-27 kg

Rezulta ca, protonul are 1,0073 uam, neutronul 1,0087 uam, iar electronul 5,486 10^-4 uam.

Masa atomica a unui element este numarul care arata de cate ori masa atomului elementului respectiv este mai mare decat a 12-a parte din masa atomului de carbon . Masele atomice ale elementelor sunt in general numere fractionare, intrucat elementele sunt contituite din mai multi izotopi (tabelul 4). Magneziul, de exemplu, are trei izotopi stabili:

(78,70 %), masa atomica exacta: 23,98504

(10,13 %), masa atomica exacta: 24,98384

(11,17 %), masa atomica exacta: 25,98259

Pe baza ponderii naturale a izotopilor se poate calcula masa atomica:

A_Mg = 0,787

Se obtine astfel, prin calcul, o valoare foarte apropiata de cea obtinuta experimental.

Metodele de determinare a maselor atomice au fost continuu perfectionate. Trecand de la metode bazate pe legile gazelor si regula Dulong - Petit la metode electrochimice si, mai ales, metoda spectrometriei de masa, precizia determinarilor a crescut considerabil. Elocventa in aceasta privinta este evolutia, in decursul anilor, a masei atomice a argintului:

^*Numarul din paranteza indica incertitudinea determinarii ultimei cifre (

Masele atomice ale elementelor sunt date in tabelul 4. (Pure&Appl.Chem., 64, 1519, 1992). Incertitudinea valorilor prezentate in tabel este de 1 fata de ultima cifra. In cazul incertitudinilor mai mari, acestea sunt indicate intre paranteze.

4. Aplicatii numerice

1. Sa se calculeze masa atomica a cuprului cunoscand ca masele atomice exacte ale celor doi izotopi stabili sunt 62,9296 si 64,9278, iar abundentele corespunzatoare sunt 69,09 %, respectiv 30,91 %.

Sa se calculeze numarul de atomi continuti in 2 g sodiu metalic pur.

3. Sa se calculeze masa unui cristal metalic care contine 5 miliarde de atomi de uraniu.

Tabelul 4. Elementele chimice.