Cornelia Guran

CHIMIEANORGANICA

Volumul I i', i..

. Structura atomului

. Leg5tura chirnicd

. Problelne

Editura ASABBucureqti 2007

l

CUPRINS

l. Introducere.................

2. Structura atomului qi tatrelul periodic al elementelor................2.1. Notiuni despre atom. Experienle premergrtoare descoperirii structurii

atourului2.2. Modelul atornic al lui Bohr2.3. Spectrele de raze X ................2.4. Modelul atomic al lui Bohr-Sommerf-eld...2.5. Cuantificarea in spa{iu qi numdrul cuantic magnetic2.6. Nurndr cuantic de spin2.7. Concluzii ................2.8. Mornente magnetice ale electronilor ..............2.9. Modelul vectorial al atomului2.10. Elemerrte de rnecanicd cuanticd. Modelul ondulatoriu stationar al

il

atonrului ....................... 4g2.1 L Construc{ia inveligului de electroni ................ ...... 6l2.12. Inversiuni itr succesiunea unor nivele energetice ............ ......... j l2.13. Sistemul periodic al elementelor ................. ......... 77

3. Legitura chimici ................... I I f3.l.lntroducere. Tipuride legaturi ..........1113.2. Factorii care deterrnind natura legdturilor chirnice ...................... 1 l53.3. Le-sdtura ionicd ......... ....1lg3.4. Legdtura covalentd ....... 136

3.4.1. 'feoria electronica clasici a covalenfei. Modelul prin electronilocaliza{i (EL) ..... . ............. t36

3.4.2. Meroda legdrurii de valenla (MLV) ............1443.4.3. Metoda orbitalilor moleculari (MOM) ....... 151

3.4.4. Formele spa(iale ale moleculelor. Modelul RPESV ........|i'03.4.5. Legaturichimice in molecule deficitare in electroni .......1j6,3.4.6. LegSturi chimice in clusteri ........................ 1803.4.7. Proprietdlile legaturii covalente .................. 188

3.5. Legdturiintennoleculare ............. ......19j3.5.1. Leg[turi prin fbrte van der Waals ...............19i3.5.2. Legatura de hidrogen ............... ..................202

4. Probleme ...........2117

Bibliografie ..........223

lt:J

28

32

37

38

39

42

44

2. STRUCTURA ATOMULUI $I TABELUL PER,IODIC

AL ELEMENTELOR

2.1.No{iuni despre atorn. Bxperien{e premergltoare descoperirii

structurii atomului

Denumirea de atom este atribuitd celor mai mici particule de substanfd,

componente fundamentale ale tuturor substanfelor. Concep{ia simplistd despre atom,

considerat particul5 indivizibild qi indestructibild (leoria lui Dalton, 1808), a putut

explica fc'ncrnenele cirimice o perioad5 de aproape o sutd de ani. Descoperirile

acurnulate in {lzicd qi chiririe, incepdnd cu sfdrqitul secolului al XIX-lea aveau sd pund in

discufie aceastd concep{ie asupra atomului, dovedind cd de fapt atol.nul are o structura

complexd.

Dezvoltarea istoricd a nofiunii de atom ;i laptele experimentale care au dovedit

complexitatea structurii atomului au fost legate de descoperirea electronului, nucleului,

qi de primele propuneri referitoare la modul de aranjare a acestora in interiorul atomului

(stratificare).

Cele rnai importante fenolnene care au adus infonna{ii despre contplexitatea

edificiului numft dom au fbst:

l. Electroliza (Faraday, 1838)

Studiul electrolizei a pus in evidenld existenla unor particule cu sarcini negative gi

pozitive in atom gi a dovedit cd sarcina electricd are o structurd discontinud. Totodata au

tbst posibile urmdtoarele observalii:

r Dacd printr-o solulie se trece un curent de 96494 C, la electrozi se depune un

echivalent gram indiferent de natura substanfei (1Eg transportd aceeaEi cantitate

de electricitate).

r Un ion transportd o sarcind egald cu:

qZF (2.1)

Stt rtr'ttrrtr (tI()tnttIrti .:i tttlu'IttI te r iodic u I el ent enlc I or

untle: Z: valerr[a,

l{:6,022 x l0rr" nutniirlrl lui Avogaclro, $i

l; : 96494 C, nunrirrul lui Far.rday.

Concluzie: Sarcina plnatd de ion este un rnultiplu al unei sLtrcini electrice elenentare,

numitd ulterior electron.

2. Descirciri electrice in gaze rarefiate (Crookes, I 879)

La presitrni dc 0, 1-l rtrrnHs. transportul electricititii intre electrozi. se face prin

ioni. L.n prcsiunijoase (0,0l-(),00I nrnrHg, fig.2.1) se observa un flux cle radialii (rrr:e

c a I t t tl i c e ) care au urnrirtoarel e proprietati :

. sttnt deviate de cAmpul electric san nragnetic, ceea ce dovedeqte faptul cI nu sunt

de natllrd ondulatot'ie ca lurrina. ci surrt corpuscule electrizate cu sarcind negalivd

. se propagi in lirrie dreapti,

o procluc el.:ctc ntecanicrc clcoarecc au enetgic,

o produc lluorescenta pcrctclui de sticl6 al tubului.

SLrrsd electricri

Tub de evactrare pa{iald

Figttru 2.1. Tub tle tlesc'drc'dt'i elet'trice in guzc (Crookes) la Ttresiuni l0 2-10 3 torr

Chimie anorganicd, volumul. I

ProprietSlile razelor catodice nu depind de natura rnaterialului din care este

confecfionat catodul. J. Perrin qi J.J. Thomson au ardtat ulterior ca razele catodice sunt

un flux de particule cu sarcind ne_qativA qi le-au denumit electroni.

Electronii provin de pc suprafa{a catodului qi sunt accelerafi de diferenta de

potential tr/aplicata, priniind astlbl energie cineticd,

ntv=

, = ev, (2.2)

iar viteza atinsd de electroni are expresia:

(2.3)

unde: c - sarcina electrutnului-

/r, - Inasa electronului.

Yiteza atinsi de electron depinde de mdrimea potentialului v. De exemplu, laZ: 10000 V, v:59000 Km/s.

Rezele canal (Goldstein, 1886)

Dacd se fblosegte drept catod (41 un disc peLfbrat, in spatele acestuia se identificd

un llux de raze incircate poziliv, nuurite ruze cqnal. Proprietdlile acestor raze depind de

natura ,uazului din tub qi de natura rnaterialului din care este conf-ectionat catodul iar in

cdrrrp electric sau magnetic sunt deviate in sens inver,s tA[h de razele catodice (fig.2. l).

Concluzii: in atom, existd, particttle incdrcctte negativ care sunt universale, comune

tutltror atomilor Si particule incdrccrte pozitiv; nu existd o sqrcind elementarci, pozitivd,

liberd.

3. Determinarea sarcinii specifice e/m (J.J. Thomson, l9l3)

.1..1. Thomson a ileterurinat raportul a lsarcina specificd) prirr cleplasarea lineard a

unui flux de electroni cu sarcind e qi masd rr in interiorul unui tub, de la catod spre un

ecran fluorescent (fig. 2.2).

l3

2eV

n1

t4- Strttc ttt'n ulonrulrri +i lohclul periotlic' ul elententelor

Figurtr 2.2. Di.slto:ilit,ul lui .J..J. Thom.;on penlnt dcterminurett surt'inii speci/ice cr

aIec'tt'onuItri (e/m)

Fluxul cste tl'ccut printr-un sistenr de fante, dupi care intAlne$te un camp

trragtrctic dc intcrrsitale H;;i tiuti Het,(r, estc- viteza de deplasarc a electronului), orientat

pcrpcttdicular pe dilectia de propagare. Cdrnpul magnetic obliga electronul sa descrie un

cerc de razd r incare fbrfa centrifugd fy:llechilibreazd for]a magnet icd, Hev:

,. ntv- e v//Cl' =

- =>t' tn Hr

(2.4)

Viteza t, se poatc determina prin trecerea lluxului electronic llrintr-un cArrp

clectric cu intensitatc E, carc actioneazir in sens contrar cdmpului magnetic H. CAnd

clectronii nu suf-erd nici o deviere, fbrla elestrostaticd este egald cu lbrla

electromagrrcticd, ;i :

Ff{ev=Ee-y=a;,

H

eE- -*-,nt H-r

llaz,a r este raza cercului dcscris pe ecranul tluorescent prin rnigcarea electronului

;i cste direct rnlsurabilS. Astlbl, se gdsegte:

.L = \os. lo* c. Kg r.

4. Determinarea sarcinii electronului (Millikan, 1916)

Prin experictrta lui Millikan a lbst detenninatl pentru prirna data valoarea sarcirrii

electricc eletnentare. Practic, se mdsoard fbrta exercitatd de trn cantp clectris de rnf,riurc

cut'losctttil asupra unor picituri frne de ulei cu raze dc 104-10-s cnt (oblinute cu a.jutorul

(2.s)

(2.6)

,r"ufl'o''""1

Clrintie nnorgtrrticit, volumuI I

unui pulverizator), incircate electric, at'late in c5dere liberd in aer, intre pl5cile unui

condensator. Cu ajutorul unui orificiu, pic[turile de ulei sunt obligate sd pdtrundd una

cdte una in spa{iul dintre pldcile unui condensator electric plar-r gi pot fi observate lateral,

cu ajutorul unui microscop.

t5

Iuprill'crdc prrticillelor{lc Ilci

RUclc X (lclcniliIittrlCillcitlca prciltunl((lc ulei

(+)--#"' .:";""&"'""-

." " , "" *-;'

t-r*"i \

-_Atoutizot Peiltru llrLr(lLrccrcil

l)icitlrril0r de rilei

-- Mi('roscop

PlAci inctrcate

(-)Figuru 2.3. Reprezentarea schematicii a experientei Millikan pentnr

de lernt i ncr reu,;o rc' i n i i e letne nture e

C'dnpul electric dintre pldcile condensatorului se obtine cu ajutorul unei baterii.

Irrlcrrsitutca clnrprrlui clcctlic arc valoarca:

Vt!,=-

I(2.7)

unde: Z - dif'erenfa de poten{ial,

/ - distanla dintre arrndturi.

Cdnd pic5tura nu este electrizat5, cade lent in jos, indit'erent dacd exist5 sau nu un

cAnrp electric. Dacd se ionizeazd aerul (cu ajutorul unui l-ascicul de raze X) picdtura cle

ulei capteazi in drunr sarcini electrice pozitive sau negative, astf-el incAt asupra ei

actittttcazi pe lAngd greutatea propric ;i o lor{[ clcctrostaticd, orientatd de .ios in sus sau

invcrs. Rcgldnd sensul ;;i mirimca cimpului electric, astf-el incat forta electrostatici se se

opr"rni greut5{ii particulei sau chiar sa o depdgeasc5, picdtura poate fi obligatd sd descrie

o miqcare ascendentd.

in cazul unei sfere rnobile aflatd intr-un mediu vdscos, rezistenla intAmpinatf, este

dati de legca lui Stokes:

R:6m1rve,

uncle: 11 - coclrcientul dr: vAscozitate a rncdiului,

r - ra/a particule i (considctatd slcfici).

r,, - r itcza parlicrrlci.

(2.n)