+ All Categories
Home > Documents > Curs Chimie 2014 Studenti

Curs Chimie 2014 Studenti

Date post: 19-Nov-2015
Category:
Upload: ichim-lawinne-marie
View: 76 times
Download: 9 times
Share this document with a friend
Description:
chimie generala
51
1 Chimie generala An universitar 2013/2014 Introducere Chimia este o stiinţă fundamentală a naturii. Ea studiază starea naturală şi obţinerea, compoziţia şi structura, proprietăţile şi transformările substanţelor precum şi fenomenele cauzale şi legile acestor transformări. Deducerea legilor matematice pentru explicarea cantitativă a faptelor experimentale observate formează obiectul chimiei fizice. După natura substanţelor pe care le studiază chimia cuprinde două mari domenii chimia anorganică şi chimia organică. Chimia organică se ocupă exclusiv cu studiul compuşilor carbonului, mai precis cu studiul hidrocarburilor şi al derivatelor lor, iar chimia anorganică se ocupă cu studiul substanţelor care nu conţin carbon, cu excepţia unor anumiţi compuşi si mpli ai carbonului, cum sunt oxizii de carbon, carbonaţii şi carburile metalice. Chima de sinteză este ramura chimiei care se ocupă cu prepararea sau producerea de substanţe relativ complexe din substanţe mai simple. Chimia analitică este ramura chimiei care se ocupă de identificarea şi determinarea cantitativă a substanţelor. Ca ramuri speciale desprinse din domeniul vast al chimiei trebuie menţionate - electrochimia - care studiază reacţiile chimice induse de electricitate sau care sunt însoţite de fenomene electrice; - radiochimia care studiază comportarea chimică şi proprietăţile substanţelor radioactive; - chimia nucleară care cercetează transformările nucleelor atomice, procesele care au loc precum şi prpoprietăţile atomilor obţinuţi pe cale artificială; - fotochimia care studiază procesele chimice care se produc sub influenţa luminii. - Chimia industrială (chimia tehnologică) tratează operaţiile, procedeele şi instalaţiile folosite în tehnică pentru obţinerea pe cale chimică a substanţelor în cantit ăţi mari, precum şi proprietăţile, metodele de cercetare şi posibilităţile de aplicare ale acestor substanţe;
Transcript
  • 1

    Chimie generala

    An universitar 2013/2014

    Introducere

    Chimia este o stiin fundamental a naturii. Ea studiaz starea natural i obinerea,

    compoziia i structura, proprietile i transformrile substanelor precum i fenomenele

    cauzale i legile acestor transformri.

    Deducerea legilor matematice pentru explicarea cantitativ a faptelor experimentale

    observate formeaz obiectul chimiei fizice.

    Dup natura substanelor pe care le studiaz chimia cuprinde dou mari domenii

    chimia anorganic i chimia organic.

    Chimia organic se ocup exclusiv cu studiul compuilor carbonului, mai precis cu studiul

    hidrocarburilor i al derivatelor lor, iar chimia anorganic se ocup cu studiul substanelor

    care nu conin carbon, cu excepia unor anumii compui simpli ai carbonului, cum sunt oxizii

    de carbon, carbonaii i carburile metalice.

    Chima de sintez este ramura chimiei care se ocup cu prepararea sau producerea de

    substane relativ complexe din substane mai simple.

    Chimia analitic este ramura chimiei care se ocup de identificarea i determinarea

    cantitativ a substanelor.

    Ca ramuri speciale desprinse din domeniul vast al chimiei trebuie menionate

    - electrochimia - care studiaz reaciile chimice induse de electricitate sau care sunt

    nsoite de fenomene electrice;

    - radiochimia care studiaz comportarea chimic i proprietile substanelor

    radioactive;

    - chimia nuclear care cerceteaz transformrile nucleelor atomice, procesele

    care au loc precum i prpoprietile atomilor obinui pe cale artificial;

    - fotochimia care studiaz procesele chimice care se produc sub influena luminii.

    - Chimia industrial (chimia tehnologic) trateaz operaiile, procedeele i

    instalaiile folosite n tehnic pentru obinerea pe cale chimic a substanelor n

    cantiti mari, precum i proprietile, metodele de cercetare i posibilitile de

    aplicare ale acestor substane;

  • 2

    - Chimia biologic sau biochmia se ocup de studiul mecanismelor chimice n

    organismele vii;

    - Chimia agricol sau agrochimia reprezint ramura chimiei care aplic metodele

    i principiile chimice la problemele de cultur agricol incluznd procesele de

    cretere a plantelor i combaterea duntorilor;

    - Geochimia studiaz compoziia chimic a globului.

    Substante simple, substante compuse

    Materia este partea componenta a universului si se prezinta sub 2 forme substanta ( se

    deplaseaza cu viteza mai mici decit cea a luminii) si energie radianta ( se deplaseaza cu

    viteza luminii). Materia are o structura discontinua si este formata din particule f. mici, atomi,

    ioni, molecule.

    Materia clasificare

    A-substante pure : I- simple (metale, nemetale, semimetale) si

    II-compuse (vezi schema de mai jos) trec prin metode chimice in elemente chimice

    B -amestecuri : omogene (aerul, saramura, solutia de zahar) si eterogene(ceata, ulei cu apa,

    benzina cu apa, etc. ) trec prin metode fizice in substante

    Substantele compuse a) anorganice

    -hidruri

    ionice (MeHm, NaH, LiH, CaH2)

    - covalente (Nem Hn, HCl, NH3, H2S, CH4)

    - interstitiale solutii solide de hidrogen in metale

    tranzitionale

    - oxizi - bazici (Me2Om, CaO, K2O, Fe2O3)

    - acizi ( Nem2On, SO2, N2O3, CO2, Cl2O7)

    - baze ( M(OH)m, NaOH, Ca(OH)2, Al (OH)3, )

    -acizi HnA hidracizi : HCl, H2S, HI

    - oxiacizi : HNO3, H2CO3, H3PO4, H2SO4

    -saruri -acide Mex(HA)m, KHS, NaHSO4, Ca(H2PO4)2

    -neutre MexAm, Na2CO3, K2SO4, Al(NO3)3, (NH4)3PO4

  • 3

    b)-organice (zaharuri, hidrocarburi, proteine, grasimi, etc).

    Me-metal cu valenta m; Nem-nemetal cu valenta n, A-radical acid cu valenta x

    Notiuni de baza din chimie

    Atomul ste cea mai mica parte dintr-o substanta simpla si care mai pastreaza

    individualitatea si proprietatile acesteia. Desi semnificatia initiala de indivizibil este depasita

    acum, denumirea a ramas. Atomul s-a dovedit a fi divizibil si alcatuit din particule

    subatomice fundamentale (electroni, protoni si neutroni) si alte particule subatomice

    (quarcuri, leptoni, bosoni).

    Moleculele substantelor simple sunt formate dintr-o singura specie de atomi (un

    element). De exemplu, substanta a carei molecule sunt formate din doi atomi de azot, N2, este

    azotul si este o substanta simpla sau un element. Substantele simple, O 2 si O3, sunt formate

    din aceeasi specie de atomi de oxigen, dar care se deosebesc prin numarul si asezarea atomilor

    in molecula, constituind forme alotropice.

    Elementul chimic este o specie de atomi care se caracterizeaza printr-o totalitate

    determinata de proprietati; fiecare atom luat individual, izolat, este un element chimic.

    Elementul chimic este tipul de materie formata din atomi ai caror nucleu au aceeasi sarcina

    electrica. De exemplu, toti atomii care au sarcina nucleara +1 constituie elementul H,

    hidrogen. Elementul hidrogen se poate gasi in H2O, CH4, H2, etc., avind aceleasi proprietati

    indiferent de componentele moleculelor in care intra. Substanta simpla este forma de existenta

    in stare libera a unui element.

    Moleculele substantelor compuse sunt formate din mai multe specii de atomi intr-un

    raport numeric bine definit. Substanta compusa rezulta din combinarea substantelor simple,

    dar nu este alcatuita din substante simple ci din elementele respective. De exemplu, clorul si

    sodiul in stare libera sunt substante simple, dar in compozitia clorurii de sodiu ele se gasesc

    intr-o alta stare, puternic interactionata, altfel decit in substantele simple clor si sodiu.

    Atomii cu masa diferita a aceluiasi element se numesc izotopi (izotop = acelasi loc in

    sistemul periodic). Un element chimic poate fi format din unul sau mai multi izotopi cu numar

    de masa A diferit.

    Simbolul chimic este reprezentarea prescurtata, in scris, a unui atom, iar in calculele

    stoechiometrice, a unui atom-gram. De exemplu, C reprezinta un atom de carbon dar si un

    atom-gram, adica 12 g carbon sau un mol atomic.

  • 4

    Formula chimica este reprezentarea prescurtata, in scris, folosind simbolurile a unei

    molecule dintr-o substanta simpla sau compusa, iar in calculele stoechiometrice al unei

    molecule-gram, iar daca substanta este gazoasa a unui volum de 22,41 L(volum molar in

    conditii normale). De ex., H2 reprezinta o molecula dar si un mol de hidrogen, respectiv 22,41

    l de hidrogen.

    Formulele chimice se scriu cu ajutorul simbolurilor elementelor si pot fi :

    -brute sau empirice (arata numai natura si raportul numeric al atomilor din molecula) de ex

    (CH)n poate fi formula bruta pentru acetilena n=2, pentru benzen n=6, acid ditionos HSO2;

    -moleculare (se arata numarul real al atomilor din molecula, in care caz masa moleculara

    corespunde cu cea reala de ex. C2H2 si C6H6, acid ditionos H2S2O4);

    -structurale (se reprezinta si modul de legare si asezare spatiala a atomilor in molecula) si

    care pot fi la rndul lor:

    -formule plane obinuite sau rationale care nu redau aranjarea atomilor in

    spaiu ci numai grupele functionale si radicalii HOOH, CH3-CH3, CH3-COOH

    -formule de proiecie (structurale plane) care redau imaginea spaial sau

    schema moleculei cu rabaterea tuturor substituentilor intr-un plan, de ex. Formule de proiectie

    Fischer si Neumann pentru zaharuri

    -formule de perspectiva redau dispunrea spatiala a substituentilor in raport cu

    planul hirtiei prin linii ingrosate, normale sau punctate

    -formule de configuraie reproduc fidel modelul tetraedric al atomului de

    carbon asimetric sau redau dispoziia substituenilor legai de un atom de carbon, fata de

    planul legaturii pi, sau a planului unui ciclu prezent in molecula, de ex. configuratia cis trans

    a pentenei -2,

    -formule de conformaie care indic aranjamentul geometric rezultat prin

    rotirea atomilor n jurul legaturilor simple (conformaia moleculei) de ex., conformatia

    eclipsata sau intercalata a etanului, conformatiile baie scaun pentru celuloza, ciclodextrine,

    ciclohexan

    - modele structurale tip bile- tije sau compacte fara tije, de diferite tipuri

    care redau toate detaliile spaiale i geometrice ale moleculei.

    Ecuaia chimic este scrierea prescurtat a unei reacii chimice cu ajutorul formulelor

    chimice, innd seama de legile fundamentale ale chimiei. Ecuaia chimic reprezint reacia

    chimic att calitativ, indicnd natura substanelor care intr n reacie (reactani) i a celor

    care rezult din reacie (produse de reacie) ct i calitativ indicnd proporiile de mas, iar

    cnd substanele care particip la reacie sunt gazoase rapoartele sunt volumetrice.

  • 5

    Masa atomic a unui element este numrul care arat de cte ori atomul elementului

    respectiv este mai greu dect 1/12 a parte din masa izotopului 12

    C (unitate de mas atomic

    a.m.u.- egal cu 1,66.10-24

    g), adic este raportul dintre masa atomului respectiv i a.m.u.

    Masa molecular a unei substane este numrul care arat de cte ori o molecul din

    acea substan este mai grea dect a.m.u. i este egal cu suma maselor atomilor componeni.

    Masa atomic i cea molecular sunt mrimi adimensionale.

    Atom-gram (mol atomic) reprezint cantitatea dintr-un element exprimat n grame,

    numeric egal cu masa atomic a acelui element.

    Molecula-gram (mol) reprezint cantitatea dintr-o substan simpl sau compus,

    exprimat n grame, numeric egal cu masa ei molecular sau este masa exprimat n grame

    a N particule reprezentate printr-o formul chimic (N= numrul lui Avogadro 6,023.1023

    ).

    De ex. molul apei este 18,0153 g iar atom-gramul (molul atomic) pentru iod este 126,9044g.

    Termenul de mol se aplic la substane care formeaz molecule, la atomi liberi, la

    compui ionici i chiar la particule elementare (de ex. 1 mol de protoni = N protoni).

    Valena stoechiometric a elementelor sau capacitatea de combinare este numrul

    care arat cu ci atomi de hidrogen (sau alt element monovalent) se combin sau nlocuiete

    un atom al elementului respectiv. De ex. Cl se combin cu 1 atom de H (HCl), O se combin

    cu 2 atomi de H (H2O) iar N se combin cu 3 atomi de H (NH3).

    Cu timpul, noiunea de valen s-a extins, folosindu-se in funcie de natura legturii

    chimice:

    -electrovalena, care este numrul electronilor cedai sau acceptai, adic sarcina ionului;

    -covalena, care indic numrul legturilor, adic al perechilor de electroni de legtur n

    jurul atomului.

    Este de preferat nlocuirea noiunii de valen prin cifr, numr, treapt sau stare de

    oxidare care reprezint numrul real (n cazul combinaiilor ionice) sau fictiv de sarcini

    pozitive sau negative pe care l-ar avea elementul dat, dac prin ruperea legturilor covalente

    s-ar transforma n ioni.

    LEGILE FUNDAMENTALE ALE CHIMIEI

    1. Legi ponderale

    Legea conservrii masei (Lomonosov, Lavoisier): masa total a substanelor rezultate

    dintr-o reacie chimic este egal cu masa total a substanelor care au reacionat sau in orice

    proces chimic, masa substantelor care se combina ramine constanta.

    CaCO3 = CaO + CO2 adica 100g = 56g + 44 g

  • 6

    Aceata lege se verifica numai in unitati de masa, verificarea in volume nu este posibila,

    deoarece de cele mai multe ori reactiile intre gaze au loc cu modificarea de volum.

    Legea conservrii energiei: energia nu se poate crea sau distruge, ci doar se poate

    transforma dintr-o form de energie n alt form de energie.

    Legea proporiilor definite (legea proporiilor constante sau a constantei

    compozitiei- Proust): substanele reacioneaz ntre ele n proporii de mas definite i

    constante.

    H2 +Cl2 = 2 HCl sau 2NaCl + H2SO4 = 2HCl + Na2SO4 indiferent de calea de obtinere

    raportul masic (in greutate) de combinare este acelasi H:Cl adica 1:35,5

    Legea proporiilor multiple (Dalton): dac dou substane simple se pot combina ntre

    ele pentru a forma mai muli compui chimici, diferitele mase ale unui component care

    reacioneaz cu aceeai mas a celuilalt component se gsesc ntre ele n raporturi simple i

    mici.

    De ex. aceeasi cantitate de azot (14g) se combina cu cantitati variabile de O spre a rezulta

    oxizii azotului:

    Protoxid de N N2O 28/16 14/8 (adica l/1)

    Monoxid de N NO 14/16 14/16 (adica )

    Trioxid de N N2O3 28/48 14/24 (adica 1/3)

    Bioxid de N NO2 14/32 14/32 (adica )

    Pentoxid de N N2O5 28/80 14/40 (adica 1/5)

    Se observa ca masele de O din acesti oxizi se gasesc intre ele in raporturi de

    8 : 16 : 24 : 32 : 40 adica 1: 2 : 3 : 4 : 5.

    Legea proporiilor echivalente: reaciile chimice decurg de la echivalent la echivalent

    sau substanele reacioneaz ntre ele n cantiti de mas proporionale cu echivalenii chimici

    ai elementelor sau compuilor respectivi.

    Comparind NaCl cu CuCl se vede ca 23g de Na sunt echivalente cu 63,5 g Cu deci raportul

    este 23 : 63,5.

    Comparind NaCl cu CuCl2 se vede ca 23g de Na sunt echivalente cu 31,8 g Cu deci raportul

    este 23:31,8. Raportul echivalentilor va fi ca numere intregi si mici 23 /63,5: 23/31,8= 1:2

    Legea ce sta la baza reactiilor chimice este faptul ca acestea decurg de la echivalent

    la echivalent sau un echivalent dintr-o substanta inlocuieste un echivalent al altei substante.

    De ex in reactia Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu 28 g Fe vor inlocui 31,8 g Cu si aceste

    valori sunt echivalentii chimici pentru Fe si Cu.

    Consecinta legilor proportiilor este notiunea de echivalent.

  • 7

    Echivalentul chimic este cantitatea dintr-un element sau dintr-o combinaie chimic

    care poate inlocui sau se poate combina cu 1,008 g hidrogen, cu 8 g oxigen sau cu 3 g

    carbon care . Dac aceast cantitate este exprimat n grame se numete echivalent -gram sau

    val. Deci H2 are echivalentul gram 1g, iar O2 are valul 8g.

    Calculul echivalentului gram.

    In reactiile de neutralizare cu schimb de protoni, un echivalent gram este cantitatea de

    substanta care reactioneaza cu un echivalent gram de protoni (ion-gram de hidrogen), iar in

    reactiile redox (oxidare si reducere) prin echivalent gram se intelege cantitatea de substanta

    care reactioneaza cu un electron-gram.

    -pentru elemente Eg = masa atomica/valenta

    P4 + 6Cl2 = 4PCl3 Eg = masa atomica P/3 = 31/3= 10,326 g fosfor

    P4 + 10Cl2 = 4PCl5 Eg = masa atomica P /5 =31/5= 6,196 g fosfor

    -pentru acizi in reactii de neutralizare

    Eg = masa moleculara/ nr de atomi de hidrogen care reactioneaza sau sunt inlocuiti

    Eg = masa mol. HCl/1 Eg = masa molec. H2SO4/ 2

    -pentru baze in reactii de neutralizare

    Eg = masa moleculara / nr. Grupe OH

    Eg = masa mol. Al(OH)3 / 3 = 78/3 =26 g

    - pentru saruri

    Eg = masa molec / nr. At. Metal x valenta metalului

    Eg = masa moleculara BaCl2 / 1x2 =208/2 =104g

    -in reactii de oxidare

    Eg = masa molecuara / nr. Electroni cedati sau acceptati de o molecula din substanta

    respectiva

    8HNO3 + 3Cu = 3Cu (NO3)2 +4H2O + 2NO

    N5+

    + 3e - N2+

    Eg = masa mol. HNO3 / 3 = 63/3= 21 g

    2. Legi volumetrice

    Legea volumelor constante (Gay-Lussac): volumele a dou gaze care se pot combina

    pentru a forma un compus definit, msurate la aceeai temperatur i la aceeai presiune, se

    gsesc ntre ele ntr-un raport simplu; volumul compusului rezultat n stare gazoas este n

    raport simplu cu fiecare din volumele gazelor reactante.

    H2 + Cl2 = 2HCl 1:1 = H2:Cl2 2:1 = HCl:Cl2 sau HCl:H2 2/2 HCl: (H2 +Cl2)

  • 8

    Legea lui Avogadro-Ampere: volume egale de gaze, la aceeai temperatur i la

    aceeai presiune, conin acelai numr de molecule, NA = 6,023.1023

    molecule. Acest numar

    de molecule este de asemenea continut si intr-un atom gram sau ion-gram.

    Volumul molar este volumul ocupat de 1 mol n condiii de temperatur i presiune

    dat. Volumul molar al oricrui gaz, la temperatura de 0 C i presiunea de 760 torri, este de

    22,414 l.

    LEGATURI CHIMICE

    1.Definitie

    Legtura chimic se definete ca o asociere, o interaciune ce se manifest ntre atomi

    identici sau diferii, care duce la apariia de molecule sau compui ionici ca urmare a unei

    reacii chimice. Proprietile speciale ca urmare a unei coeziuni deosebite a structurii

    metalelor se datoreaz legaturilor chimice de tip metalic.

    Din cele 90 de elemente naturale, puine sunt cunoscute in natura, in conditii

    obisnuite, sub forma de atomi liberi (gazele rare). Marea majoritate a elementelor se gasesc

    sub forma de combinatii simple sau compuse in care atomii sunt legati intre ei. Deci atomii

    elementelor chimice in conditii obisnuite nu sunt stabili in stare libera, ei se stabilizeaza prin

    interactiune cu alti atomi, se leaga unii cu altii formind molecule sau cristale. Atomii

    interactioneaza prin intermediul invelisului electronic exterior, realizindu-se astfel legaturi

    intre ei ca urmare a modificarii structurii electronice exterioare. Structura electronica cea mai

    stabila este structura gazelor rare (configuratia electronica exterioara de gaz inert, configuratie

    de octet). Instabilitatea configuratiei electronice a atomilor liberi se manifesta prin tendinta de

    a realiza configuratia stabila de gaz inert. Aceasta se poate realiza numai prin invelisurile

    electronice exterioare ale altor atomi, prin cedare, acceptare sau punere in comun de electroni.

    2. Clasificarea legaturilor chimice

    Exista patru moduri principale, distincte, prin care se unesc atomii sau ionii intre ei,

    care corespund urmatoarelor tipuri de legaturi chimice:

    -legatura ionic (legtur heteropolar, electrovalen sau pereche de ioni) se

    realizeaz datorit atraciei electrostatice ntre ionii de semn contrar, care n corpurile solide

    formeaz reele cristaline. Atomii i realizeaz structura stabil prin acceptare sau cedare de

    electroni i deci cu formarea ionilor negativi sau pozitivi care se atrag reciproc. De exemplu,

    n clorura de sodiu, atomul de sodiu electropozitiv este donor i cedeaz un electron clorului

  • 9

    electronegativ care este acceptor; ambii atomi si realizeaz structura stabil de octet a gazului

    rar mai apropiat de ei.

    Na + Cl = Na+ Cl

    -

    Combinaiie ionice nu formeaz molecule ci perechi de ioni care n reelele cristaline

    solide tridimensionale sunt dispui alternativ, numrul ionilor care nconjoar un ion cu

    sarcin opus se numete numr de coordinare. Ionii i legturile ionice din cristale se

    pstreaz att n urma dizolvrii (solvatrii) n ap sau n alte medii ct i prin lichefiere

    (topirea cristalelor).

    Att soluiile ct i topiturile conduc curentul electric i de aceea aceste substane se

    numesc electrolii de ordinul II.

    Aceast legtur este caracteristic substanelor anorganice dar poate s apar uneori

    i n unele substane organice ca de exemplu srurile acizilor carboxilici, compui organo-

    metalici, compleci organici.

    -legatura covalent (legtur homeopolar sau covalent) se formeaz prin

    punerea n comun a electronilor de valen necuplai care provin de la atomi identici sau

    diferii.

    n cazul atomilor identici legtura care se formeaz este covalent nepolar deoarece

    perechea de electroni comuni se gsete la mijlocul distanei dintre cele 2 nuclee. De exemplu

    formarea moleculelor biatomice homonucleare ale gazelor H2, N2, O2, Cl2.

    n cazul atomilor diferii perechea de electroni care formeaz covalena este deplasat

    spre atomul mai electronegativ i legtura este denumit polar. De exemplu formarea

    moleculelor heteronucleare: HCl, H2O, CH3-OH, C6H5-OH.

    Aceast legtur este caracteristic compuilor organici i se simbolizeaz prin liniue

    care reprezint cei doi electroni cuplai.

    -legatura coordinativa (legtura dativ) constituie un caz particular de legtur

    covalent care const n punerea n comun a unei perechi de electroni neparticipani, care

    provin de la un singur atom. Atomul sau ionul care cedeaz dubletul de electroni se numete

    donor iar atomul sau ionul care primete electronii donorului se numete acceptor. Acceptorul

    trebuie s aib cel putin un orbital vacant pe care-l pune la dispoziia donorului, care are cel

    puin o pereche de electroni liberi neparticipani care se deplaseaz spre acceptor.

    Aceast legtur se ntlnete n compusii amoniacului, aminelor, alcoolilor, eterilor

    care pot forma i combinaii complexe. De exemplu clorur de amoniu NH 4+Cl

    -, ionul

    hidroniu H3O+, clorur de trimetilamoniu (CH3)3NH

    +Cl

    -, etc.

  • 10

    -legatura metalic este o legtur chimic specific metalelor n care electronii mai

    slabi legai de nucleele metalului (gaz electronic) difuzeaz prin reeaua cristalin a metalului

    i interacioneaz cu ionii pozitivi din nodurile acesteia. Electronii de pe stratul de valen au

    la dispoziie mai multi orbitali, cu energii apropiate care se ntreptrund, determinnd apariia

    de zone extinse n ntreg cristalul. Totalitatea acestor nivele de energie alcatuiesc banda de

    valen, band care este mai larg determinnd coeziunea atomilor n cristal.

    Aceast legtur confer proprieti specifice metalelor cum ar fi: conductibilitate

    mare electric i termic, luciu metalic, opacitate, rezisten mecanic mare, maleabilitate,

    ductilitate, capacitate de cristalizare, etc. Se manifest n stare solid i lichid, dar dispare n

    stare de vapori.

    In afara acestor legturi foarte puternice menionate mai sus, intre molecule, atomi sau

    ioni, se realizeaza si alte tipuri de legturi mai slabe inter- sau intramoleculare. Fora

    caracteristic strii lichide i solide care menine aglomerarea moleculelor poart denumirea

    de coeziune intermolecular care este de natur electrostatic i se realizeaz prin intermediul

    acestor legturi secundare, care pot fi:

    -legturi prin fore van der Waals se manifest ntre moleculele ce aparin gazelor

    lichefiate, solvenilor neutri (hexan, bezen, tetraclorura de carbon), cristalelor formate din

    reele moleculare. Ele influeneaz unele proprieti ale substanelor ca: volatilitatea,

    solubilitatea, miscibilitatea, plasticitatea, clivajul, tensiunea superficial, atracia dintre

    moleculele gazelor, condensarea, coagularea, atracia moleculelor din reelele moleculare, etc.

    Forele van der Waals pot fi de 3 tipuri:

    -de orientare (se manifest ntre molecule polare numite fore dipol-dipol sau ntre

    ioni si molecule polare numite fore ion-dipol care intervin n procesul de solvatare a ionilor);

    -de inducie (apar ntre moleculele polare i nepolare prin inducerea unui dipol

    instantaneu n moleculele nepolare cu manifestarea ulterioar a unor fore electrostatice ntre

    dipolii permaneni i cei indui )

    -de dispersie London (apar ntre moleculele nepolare prin polarizarea temporar a

    moleculelor sau atomilor datorit oscilaiilor lor continue, dipolii temporari rezultai se atrag

    reciproc, aceste fore fiind aditive nsumeaz aciunile tuturor atomilor constitueni ai

    moleculelor).

    -legaturi prin puni atomice determin apariia de asociaii moleculare cu condiia ca atomii

    ce constituie puntea s aib volum mic i puini electroni.

    Asociaiile moleculare se pot stabili prin:

  • 11

    -puni de hidrogen (apar ntre micro/macromolecule identice sau diferite prin atracii

    electrostatice ntre atomii electronegativi i atomul de hidrogen aparinnd unei molecule

    vecine, legat covalent tot de un element electronegativ. De exemplu: asociaii moleculare n

    ap, alcooli, fenoli, unii acizi organici i anorganici, amide, polimeri naturali sau sintetici).

    F-H.F-H.F-H.F-H

    -puni de litiu (locul hidrogenului poate fi luat de un alt element electropozitiv cu

    volum mic, de ex. litiu in florura sau clorura de litiu).

    Li-F. Li-F.Li-F.Li-F

    Dei au o energie mic, punile atomice prin faptul c sunt numeroase modific

    proprietile fizice ale substanelor n care apar, ca de ex.: punctul de fierbere, punctul de

    topire, cldura de vaporizare, densitatea. Aceste substane pot fi considerate ca avnd o

    structur similar polimerilor realizat prin fore secundare i nu prin covalene ca la polimeri.

    Reacii chimice

    In procesle industriale ca i n procesele din natur se ntlnesc foarte multe

    transformri care schimb compoziia substanelor. Procesle care transform substanele n

    alte substane sunt reaciile chimice. Reactia chimica este deci un proces de modificare a

    unui sistem in care dispar si apar substante (specii chimice) noi.

    Substanele care reacioneaz se numesc reactani, iar substanele rezultate din reacie se

    numesc produse de reacie.

    Clasificarea reactiilor chimice si exemple

    Exista mai multe criterii generale de clasificare a reactiilor chimice indiferent daca

    substantele sunt organice sau anorganice.

    Dei numrul reaciilor chimice este foarte mare, se pot clasifica n patru tipuri:

    - reacii de combinare este reacia prin care din dou substane diferite se obine o

    singur substan nou Ex. S + Fe FeS

    - reacii de descompunere este reacia prin care dintr-o singur substan rezult

    dou sau mai multe substane (Ex. Oxidul de Hg prin inclyire se descompune n

    Hg i O2

    - reacii de substituie sunt reacii prin care un element ia locul unui alt element

    dintr-un compus

    Ex. CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu

  • 12

    - reacii de dublu schimb (dubl descompunere) - sunt reacii n care dou substane

    reacioneaz ntre ele formnd dou substane noi

    Ex. AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

    Alte criterii de clasificare sunt:

    1. Criteriul termodinamic reactiile sunt:

    -exoterme (H0) -insotite de absorbtie de caldura (esterificarea, obtinerea acidului

    iodhidric din elemente, transformari de faza, de ex. topirea).

    2. Criteriul cinetic:

    -al molecularitatii, reactiile pot fi:

    -reactii monomoleculare (ex. descompunerea termica a dimetil-eterului);

    -reactii dimoleculare (ex. esterificarea unui acid cu un alcool);

    -reactii trimoleculare (destul de rare: oxidarea monoxidului de azot la dioxid in

    prezenta oxigenului, trimerizarile ciclice ale acetilenei, acetonei, aldehidei formice).

    - al ordinului de reactie, reactiile pot fi

    -reactii de ordinul 0

    -reactii de ordinul I

    -reactii de ordinul II

    -reactii de ordinul III.

    3. Criteriul mecanismelor de reactie:

    a. Reactii de oxido-reducere reprezinta procesele chimice care se desfasoara cu

    transfer de electroni intre atomi, molecule sau ioni. Acest transfer de electroni de la un atom

    sau ion la alt atom sau ion determina schimbarea starii de oxidare. Atomii sau ionii care

    cedeaza electroni se oxideaza si se numesc reducatori , iar atomii sau ionii care accepta

    electroni se reduc si se numesc oxidanti. In orice reactie redox, numarul electronilor cedati de

    reducator este egal cu numarul electronilor primiti de oxidant:

    Oxidant1 + ne- Reducator1

    Reducator2 - ne-

    Oxidant2

    Sumind aceste 2 procese se obtine:

    Oxidant1 +Reducator2 Reducator1 +Oxidant2

  • 13

    b. Reactii catalitice sunt transformarile chimice in a caror desfasurare sunt implicate

    unele substante numite catalizatori. Catalizatorii au urmatoarele proprietati generale:

    -maresc viteza reactiilor chimice posibile d.p.d.v.termodinamic prin scaderea energiei

    de activare si instalarea mai rapida a starii de echilibru;

    -au activitate catalitica manifestata in concentratii mici, mediul de reactie continind

    concentratii relativ mari de substrat;

    - se regasesc la sfirsitul transformarii, in mediu, nemodificati d.p.d.v. cantitativ si

    calitativ.

    Reactiile catalitice se impart in 3 categorii:

    -Cataliza omogena are loc in faza lichida (ex. descompunerea apei oxigenate in apa si

    oxigen in prezenta de acid iodhidric, hidroliza zaharului in prezenta de acid sulfuric diluat)

    sau gazoasa (ex. oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de sulf sub influenta oxizilor de azot,

    formarea acidului clorhidric din elemente in prezenta urmelor de vapori de sodiu), cind

    catalizatorul este dizolvat in mediul de reactie, formind o singura faza.

    -Cataliza heterogena are loc intre reactanti lichizi sau gazosi si catalizatori solizi (ex.

    oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de sulf in prezenta catalizatorilor de platina,

    hidrogenarea oxidului de carbon in prezenta catalizatorilor de cobalt pentru obtinerea

    alcanilor,etc.). Reactia se petrece pe suprafata catalizatorului prin contactul catalizatorului

    solid cu reactantii, fapt pentru care aceste reactii se mai numesc si reactii de contact.

    -Reactiile enzimatice sunt reactii catalizate de enzime. Enzimele sunt substante

    organice macromoleculare, de natura proteica, sintetizate de celula vie, dar proprietatile lor

    catalitice se manifesta atit in interiorulcit si in exteriorul celulei. Toate transformarile chimice

    din celula vie sunt catalizate de enzime. Exista si procese enzimatice de importanta tehnica:

    ex. hidroliza amidonului in prezenta amilazei, fermentatia lactica, acetica, alcoolica, etc.

    c. Reactii fotochimice

    Fotochimia este domeniul chimiei care se ocupa cu studiul transformarilor calitative

    ale materiei sub influenta luminii, a energiei luminoase. Reactiile fotochimice reprezinta

    procesele chimice initiate de fotoni (ex. fotosinteza, sinteza vitaminei D 2, substitutia alcanilor

    si cicloalcanilor cu clorul sau bromul, sub actiunea luminii, etc.)

    4. Alte criterii

  • 14

    a. Reactii de neutralizare sunt reactii dintre un acid si o baza. Deoarece reactantii sunt

    disociati, se poate prezenta reactia de neutralizare in mediu apos dintre acidul cel mai puternic

    si baza cea mai puternica prin schema:

    acid -H3O++ baza - HO

    - sare + 2H2O

    Reactiile de neutralizare pot avea loc intre un acid tare/slab si o baza tare/slaba.

    Ex. HCl+NaOH =NaCl+H2O

    CH3-COOH+NH4OH CH3-COO NH4+ H2O

    b. Reactii de (solvo)liza (hidroliza, amonoliza, alcooliza, acidoliza ) sunt acele reactii

    in care unul din reactanti este solventul, o substanta micromoleculara ca de ex. apa

    (saponificarea esterilor, hidroliza nitrililor, hidroliza sarurilor, etc.), amoniacul (amonoliza

    alcoolilor cu obtinerea aminelor), alcoolii (obtinerea eterilor din derivatii halogenati si

    alcooli), acizi (obtinera esterilor din derivati halogenati si acizi organici), etc.

    d. Reactii de ardere sunt acele reactii in lant (uneori explozii) la care participa

    oxigenul si alte elemente sau substante de regula in faza gazoasa (hidrogen, hidrocarburi

    gazoase, etc.).

    e. Reactii cu schimb ionic se intilnesc mai ales in chimia anorganica, ca de ex:

    2NaCl + Mg SO4 MgCl2 + Na2SO4

    2LiCl + BaSO4 BaCl2 + Li2SO4

    In chimia organica sunt si alte criterii specifice de clasificare a reactiilor chimice.

    1. dupa natura procesului desfasurat, reactiile compusilor organici sunt de 4 tipuri:

    a. Reactii de substitutie sunt procesele chimice prin care un atom sau un grup de atomi

    este inlocuit cu alt atom sau grup de atomi:

    R-X+YR-Y+X

    Dupa mecanismul prin care decurge reactia, substitutiile pot fi:

    -homolitice(radicalice):

    -heterolitice(ionice)

    b.Reactii de aditie. Dupa mecanismul ce are loc, aditiile pot fi:

    -homolitice

    -heterolitice

    c. Reactii de transpozitie

    d. Reactii de eliminare

    e. Reactii de piroliza.

  • 15

    2. dupa criteriul tehnologic, reactiile organice pot fi de: halogenare (obtinerea

    derivatilor halogenati), nitrare (obtinerea nitroderivatilor), hidrogenare - dehidrogenare

    (obtinerea derivatilor saturati sau nesaturati ai diferitelor clase de compusi organici),

    alchilare, arilare si alchilarilare (obtinerea de noi substante organice), polimerizare,

    policondensare si poliaditie (obtinerea polimerilor sintetici), etc.

    STRUCTURA ATOMULUI

    La sfirsitul sec. XIX si inceputul sec. XX au aparut dovezi experimentale care

    combateau indivizibilitatea atomului si demonstrau complexitatea structurii sale (electroliza,

    studiul descarcarilor electrice in gaze rarefiate, studiul spectrelor luminoase, descoperirea

    radioactivitatii naturale, descoperirea razelor X, efectul fotoelectric, etc.).

    Un progres deosebit il reprezinta aparitia fizicii cuantice care studiaza unitatile

    minuscule de radiatie electromagnetica (cuantele sau undele de lumina) ca forte non-fizice

    ale caror deplasare creaza lumea noastra fizica.

    Atomul ste cea mai mica parte dintr-o substanta simpla si care mai pastreaza

    individualitatea si proprietatile acesteia. Desi semnificatia initiala de indivizibil este depasita

    acum, denumirea a ramas. Atomul s-a dovedit a fi divizibil si alcatuit din particule

    subatomice fundamentale (electroni, protoni si neutroni) si alte particule subatomice

    (quarcuri, leptoni, bosoni).

    Nucleul atomic. Izotopi

    Structura nucleului

    In mod simplificat si clasic se considera ca atomul este alcatuit dintr-un nucleu central,

    format din nucleoni (neutroni si protoni) si un invelis electronic tridimesional format din

    electroni. Numarul electronilor, sarcini electrice negative, din jurul nucleului este egal cu

    numarul sarcinilor pozitive (protonii) ale nucleului, incit atomul este electroneutru.

    Numarul de sarcini pozitive din nucleu poarta numele de numar atomic si se noteaza

    cu Z. Numarul total al nucleonilor (protoni si neutroni) dintr-un nucleu se numeste numar de

    masa si se noteaza cu A.

    A= Z+ N in care N este numarul de neutroni.

    Exceptind atomul de hidrogen care are un singur proton ceilalti atomi au mai multi

    protoni si neutroni uniti prin forte speciale de atractie numite nucleare.

  • 16

    ( Formarea nucleelor din protoni si neutroni este un proces care degaja o cantitate

    considerabila de energie si este insotit de o variatie de masa numit defect de masa care

    reprezinta diferenta intre masa teoretica a nucleului (obtinuta ca suma maselor nucleonilor ) si

    masa reala a nucleului. Defectul de masa caracterizeaza energia totala degajata la formarea

    nucleului din nucleoni si respectiv energia absorbita la desfacerea nucleului in nucleoni.)

    Izotopi

    Izotopii sunt specii de atomi ai aceluiasi element (cu acelasi Z ) dar cu A diferit

    datorita numarului diferit de neutroni. Invelisul electronic este identic astfel incit si

    proprietatile lor chimice sunt extrem de asemanatoare sau chiar aceleasi. Deoarece elementele

    chimice sunt amestecuri de izotopi, masele lor atomice sunt numere fractionare. Uneori

    izotopii au nume diferite ca de ex. la hidrogen unde cei 3 izotopi se denumesc hidrogen sau

    protiu (Z=1, A=1), deuteriu (Z=1. A=2) si tritiu (Z=1, A=3).

    Izotopii stabili si radioactivi se folosesc in cercetarea stiintifica sub forma de atomi

    marcati sau trasori si au utilizari in chimie, biologie, medicina, metalurgie, agricultura si alte

    domenii.

    Clasificarea elementelor chimice

    Necesitatea clasificarii elementelor chimice a aparut paralel cu descoperirea in natura

    a unui numar mai mare de specii atomice.

    In 1829 s-au constituit asa numitele triade, formate din elemente cu proprietati fizico-

    chimice asemanatoare, determinate de anumite schimbari care apar in valoarea maselor

    atomice (Li, Na, K ; Ca, Sr, Ba; Cl, Br, I).

    In 1862 s-a realizat asezarea in spirala sau elicoidala a elementelor cunoscute in

    ordinea crescatoare a maselor atomice.

    In 1863 s-au aranjat elementele dupa masele lor atomice, rezultind siruri orizontale de

    cite 7 elemente; deoarece proprietatile elementelor sunt asemanatoare la fiecare al 8-lea

    reprezentant aceasta regularitate s-a denumit legea octavelor.

    Clasificarea periodica a elementelor a lui Mendeleev

    Aranjand elementele in ordinea crescatoare a masei atomice Mendeleev a observat ca

    la anumite intervale apar elemente cu proprietati asemanatoare. Asezind aceste elemente

    unele sub altele obtine sistemul periodic, format din siruri orizontale numite perioade si siruri

  • 17

    verticale numite grupe. Astfel Mendeleev descopera legea periodicitatii conform careia:

    proprietatile elementelor sunt functie periodica de masa lor atomica. Astazi se considera ca

    proprietatile elementelor variaza functie de numarul lor atomic. Asezarea elementelor in

    sistemul perodic se bazeaza pe urmatoarele principii, elaborate de Mendeleev si confirmate de

    practica:

    1. elementele asezate dupa cresterea maselor atomice prezinta o periodicitate a

    proprietatilor lor;

    2. marimea masei atomice defineste caracterul elementului;

    3. se poate determina masa atomica a unui element daca se cunosc omologii sai.

    In forma actuala tabelul periodic contine 7 perioade:

    -perioada 1-a formata din 2 elemente H, He

    -perioadele 2 si 3 sunt scurte si contin cite 8 elemente fiecare ( de la Li la Ne si de la Na la

    Ar)

    -perioadele 4 si 5 contin cite 18 elemente (de la K la Kr si de Rb la Xe)

    -perioada a 6-a contine 32 elemente ( de la Cs la Rn)

    -perioada a 7 a a crescut in ultima vreme de la 3 la 26 elemente, prin descoperirea elementelor

    de la Z=104 la Z= 113 .

    Elementele chimice se pot clasifica in grupuri sau blocuri dupa tipul de orbital (s, p,

    d sau f) in care intra electronul distinctiv ( pe care un element il are in plus fata de elementul

    precedent).

    Elementele din grupele principale IA si IIA au electronul distinctiv intr-un orbital de

    tip s al ultimului strat (ns) formind grupul (blocul) elementelor de tip s.

    Elementele din grupele principale IIIA- VIIIA au electronul distinctiv intr-un orbital p

    al ultimului strat (np), formind grupul sau blocul elementelor de tip p.

    Elementele din grupele secundare IB-VIIIB la care electronul distinctiv se gaseste intr-

    un orbital d al penultimului strat, (n-1) d, formeaza grupul elementelor de tip d (elemente

    tranzitionale d).

    Un loc aparte revine elementelor la care electronul distinctiv ocupa un orbital de tip f

    al antepenultimului strat, (n-2) f :

    -elemente la care se completeaza orbitalii 4f alcatuiesc familia lantanidelor;

    -elementele la care se completeaza orbitalii 5f alcatuiesc familia actinidelor.

    Lantanidele si actinidele sunt elemente tranzitionale de tip f . Elementele tranzitionale

    de tip d si f fac trecerea de la elementele de tip s la cele de tip p.

  • 18

    Structura invelisului electronic al elementelor

    Totalitatea electronilor care graviteaza in jururl nucleului unui atom formeaza invelisul

    electronic al atomului. Invelisul de electroni este format din staruri electronice , iar un strat

    poate avea mai multe substraturi. Straturile electronice sunt sunt notate cu numerele1, 2, 3,

    ...7 sau cu literele K, L, M, N, O, P, Q.

    In miscarea lor rapida in jurur nucleului, electronii nu urmeaza niste traiectorii precise,

    insa ei se pot gasi cu mare probabilitate in anumite regiuni ale spatiului din jurul nucleului,

    formand nori de electricitate negativa (nori electronici) numiti orbitali. Se cunosc mai multe

    tipuri de orbitali: s, p, d, f.

    Distributia electronilor in straturi, substraturi si orbitali, care formeaza invelisul

    electronic al unui atom, se numeste configuratie electronica. Orbitalii, substraturile si

    straturile se ocupa cu electroni dupa urmatoarele reguli:

    1. principiul minimului de energie: in atomii multielectronici, electronii se plaseaza pe

    substraturi in ordinea cresterii energiei

    (1s

  • 19

    3. Litiu (Li) 2.1 1s2.2s

    1

    4. Beriliu (Be) 2.2 1s2.2s

    2

    5. Bor (B) 2.3 1s2.2s

    2.2p

    1

    6. Carbon (C) 2.4 1s2.2s

    2.2p

    2

    7. Azot (N) 2.5 1s2.2s

    2.2p

    3

    8. Oxigen (O) 2.6 1s2.2s

    2.2p

    4

    9. Fluor (F) 2.7 1s2.2s

    2.2p

    5

    10. Neon (Ne) 2.8 1s2.2s

    2.2p

    6

    11. Sodiu (Na) 2.8.1 1s2.2s

    2.2p

    6.3s

    1

    12. Magneziu (Mg) 2.8.2 1s2.2s

    2.2p

    6.3s

    2

    13. Aluminiu (Al) 2.8.3 1s2.2s

    2.2p

    6.3s

    2.3p

    1

    14. Siliciu (Si) 2.8.4 1s2.2s

    2. 2p

    6.3s

    2.3p

    2

    15. Fosfor (P) 2.8.5 1s2.2s

    22p

    6.3s

    2.3p

    3

    16. Sulf (S) 2.8.6 1s2.2s

    2. 2p

    6.3s

    2.3p

    4

    17. Clor (Cl) 2.8.7 1s2.2s

    2.2p

    6.3s

    2.3p

    5

    18. Argon (Ar) 2.8.8 1s2.2s

    2 .2p

    6.3s

    2.3p

    6

    19. Potasiu (K) 2.8.8.1 1s2.2s

    2. 2p

    6.3s

    2.3p

    6.4s

    1

    20. Calciu (Ca) 2.8.8.2 1s2.2s

    2. 2p

    6.3s

    2.3p

    6.4s

    2

    Dupa completarea substratului 4s se completeaza substratul 3d si apoi 4p din stratul

    M. Toate elementele care-si completeaza cu electroni substraturile 4s, 3d si 4p fac parte din

    perioada a 4 a si sunt 18.

    Completarea substraturilor electronice din perioada 5 se face in succesiunea 5s, 4d si

    5p, perioada care cuprinde de asemenea 18 elemente.

    La elementele din perioada 6 se completeaza substratul 6s apoi se plaseaza un singur

    electron in substratul 5d dupa care se completeaza substratul 4f cu 14 electroni (seria

    lantanide de la Z=57 pina la Z= 71) si din nou urmaza completarea substratului 5d pina la 10

    electroni. In aceasta perioada sunt 32 de elemente.

    Completarea straturilor electronice ale elementelor din perioada a 7a se face analog

    celor din perioada a 6 a: se completeaza intii substratul 7s, apoi se plaseaza un electron in

    substratul 6d, urmind completarea cu 14 electroni a substratului 5f (seria actinide de la Z= 89

    la Z=103), si apoi se continua din nou cu substratul 6d care ramine incomplet.

  • 20

    Elementele care constituie o grupa au structura electronica identica pe ultimul strat si

    proprietati chimice asemanatoare. Elementele din aceeasi perioada difera cu cite un electron

    instratul exterior (electron distinctiv) si deci proprietatile lor chimice vor fi diferite. Numarul

    de ordine corespunde cu numarul total de electroni, nuamrul perioadei este egal cu nr. de

    straturi ocupate cu electroni, iar numarul grupei coincide cu numarul de electroni de pe

    ultimul strat.

    Proprietatile generale ale elementelor

    Corelatie intre structura si unele proprietati ale elementelor si substantelor

    Stabilirea structurilor elementelor si substantelor chimice si corelarea diferentiata a

    acestor structuri cu proprietatile fizice si chimice generale permit sa se faca aprecieri

    previzibile referitoare la unele proprietati specifice ale diferitelor categorii de substante.

    Sistematizand proprietatile chimice si fizice ale elementelor sau substantelor si raportandu-le

    la structurile acestora se poate deduce existenta unor posibile corelatii intre unele structuri si

    proprietati, relatii de cauza si efect.

    Proprietatile fizice ale substantelor pot fi grupate in proprietati intensive, cele

    independente de cantitatea de substanta cum ar fi: indicele de refractie, caldura specifica,

    densitatea, constanta dielectrica etc. si proprietati extensive proportionale cu cantitatea de

    substanta ca de exemplu: masa, volumul, capacitatea calorica.

    Se disting 2 categorii de proprietati ale elementelor chimice: aperiodice si periodice.

    Proprietatile aperiodice variaza continuu, marindu-se treptat de la primul element al

    tabelului spre ultimul si sunt determinate de nucleele atomice, ex. masa atomica A, numarul

    atomic Z, adica pozitia elementului in tabelul periodic.

    Proprietatile periodice (chimice si fizice) sunt determinate de structura electronica si

    se repeta pentru fiecare perioada a sistemului.

    - Propietatile periodice chimice sunt: valenta, numarul de oxidare,

    electronegativitatea si electropozitivitatea, caracterul acido-bazic al oxizilor;

    - Proprietati periodice fizice volum atomic, densitate, raze atomice, ionice,

    potential de ionizare, spectrele atomilor, punctul de topire si cel de fierbere ,

    duritatea, conductibilitatea termica.

  • 21

    Periodicitatea proprietatilor fizice

    Densitatea (raportul intre masa si volum) reprezinta nr. de atomi /cmc, variaza cu

    numarul atomic. In ce priveste metalele, densitatea acestora creste in grupe de sus in jos, in

    perioade de la extremitati spre mijloc. Li are densitatea cea mai mica (0,53) iar osmiu cea mai

    mare. Metalele usoare au densitatea sub 5 iar cele grele 5.

    Volumul atomic (raportul intre masa atomica si densitate) este volumul ocupat de un

    atom gram si este functie periodica de Z. Cele mai mari volume atomice le au metalele

    alcaline iar cele mai mici elementele tranzitionale si halogenii. In cadrul unei grupe, volumul

    atomic creste de sus in jos, deoarece se adauga noi straturi electronice.

    Spectrele optice sunt determinate de invelisul electronic al atomilor si sunt spectre de

    linii. Doarece in grupe invelisul electronic este analog spectrele optice sunt asemanatoare.

    Potentialul de ionizare (energia de ionizare) reprezinta tensiunea in V aplicata unui

    tub de raze catodice incit sa se indeparteze un electron dintr-un atom si este functie periodica

    de numarul de ordine Z. Gazele rare au cel mai mare potential de ionizare, explicat prin

    configuratie electronica stabila pe ultimul strat si deci capacitate de reactie redusa. Metalele

    alcaline au cel mai mic potential de ionizare, explicat prin actiunea lor reducatoare si tendinta

    de a trece in cationi monovalenti. In perioada energia de ionizare creste de la stinga la dreapta,

    la fel ca electronegativitatea.

    Razele atomice cresc in grupa de sus in jos corespunzator numarului de straturi

    electronice si scad in perioada de la stinga la dreapta corespunzator cresterii sarcinii nucleare.

    Razele ionice cresc in perioada de la dreapta la stinga si in grupe de sus in jos. Raza

    ionului pozitiv este mai mica decit a atomului din care provine. Raza ionului negativ este mai

    mare decit raza atomului din care provine.

    Punctul de topire si cel de fierbere variaza periodic cu nr atomic Z dupa un grafic in

    zig-zag.

    Punctul de topire reprezinta temperatura minima la care o substanta trece din stare

    solida in stare lichida. La unele metale p.t. variaza in limite foarte largi, astfel pentru Hg p.t.=

    -38,84 C iar pentru W p.t. = 3410 C.

    Temperatura de topire variaza invers variatiei volumului atomic la metalele din

    grupele I si II principale. La metalele tranzitionale, p. T. creste in grupa cu masa atomica, iar

    in perioada de la extremitati la mijloc.

    Punctul de topire al metalelor este in stransa legatura cu structura cristalina si taria

    legaturii metalice. Aceasta proprietate reprezinta un interes practic in procesul de turnare al

    metalelor.

  • 22

    Punctul de fierbere reprezinta temperatura la care o substanta trece din starea lichida

    in stare de vapori la presiunea de 760 mmHg si variaza in general cu temperatura de topire.

    Duritatea exprima rezistenta opusa de un material in stare solida la zgarierea sau la

    patrunderea in acesta a unui alt corp, masurata prin deformatia permanenta produsa. Pentru

    aprecierea duritatii se poate folosi scara Mohs de la 1 la 10 sau unitati Brinell, Rockwell,

    Wickers.

    Cu putine exceptii, duritatea scade in grupa de sus in jos si in perioada de la dreapta la

    stanga, elementul cu duritatea cea mai mica fiind Cs. Ca metale dure se remarca Re, Os, Ru

    (ruteniu), Ir (iridiu), V (vanadiu), Ta (taliu), iar metale cu duritate redusa Hg, Cu, Ag, Au.

    Conductibilitatea termica se refera la proprietatea unor corpuri de a transmite caldura

    sub actiunea unei diferente de temperatura. Transmiterea caldurii in materiale are loc fara

    deplasare de masa, prin vibratia atomilor, in cazul solidelor cu proprietati conductibile scazute

    si a electronilor din benzile de conductibilitate, in cazul metalelor. Conductibilitatea termica

    absoluta se determina masurand cantitatea de caldura care se propaga intr-o secunda printr-un

    cm3 de metal la incalzirea cu 1 C si se exprima in cal/ cm

    3 s. Dintre metale cea mai buna

    conductibilitate termica ( in ordine descrescatoare) o au Au, Cu, W, Al, Mg iar metalele cu

    cea mai scazuta conductibilate sunt: Mn, Bi, Sb.

    Periodicitatea proprietatilor chimice

    Valenta este un numar intreg care caracterizeaza capacitatea de combinare a unui

    atom cu alti atomi.

    Atomi ajung la configuratia stabila de dublet sau octet caracteristica gazului inert care

    incheie fiecare perioada, prin transferul electronilor de pe ultimul strat, numiti si electroni de

    valenta in timpul proceselor chimice

    Atomii pot ajunge la configuratii stabile in 2 feluri:

    1. Prin cedare de electroni si transformare in ioni pozitivi (Na-e- Na

    +, valenta

    este 1 si starea de oxidare este 1+; Ca-2 e- Ca

    2+, valenta este 2 si starea de oxidare este 2+)

    sau prin primire de electroni si transformare in ioni negativi (Cl + e- Cl

    -, valenta este 1 si

    starea de oxidare este 1-;

    O +2 e- O

    2-, valenta este 2 iar stare de oxidare este 2-)

    2. Prin punere in comun de electroni de 2 atomi, covalenta fiind numarul de de

    electroni pe care un atom ii pune in comun cu alt atom (pentru O 2 covalenta este 2 iar pentru

    N2 covalenta este 3).

  • 23

    Definitia mai generala a valentei pentru a include atit electrovalenta (pozitiva si

    negativa) cit si covalenta se face prin notiunea de numar sau stare de oxidare care este o

    masura a numarului de electroni pe care un atom ii poate ceda, primi sau pune in comun

    pentru a se lega de alti atomi identici sau diferiti.

    Hidrogenul este monovalent, poate avea electrovalenta 1- sau 1+ , covalenta 1 iar

    N.O. +1 sau -1.

    Oxigenul este bivalent iar N.O. este -2.

    Valentele celorlalte elemente se pot exprima prin numerele lor de oxidare

    calculate in raport cu hidrogenul sau cu oxigenul.

    De ex. S are N.O. -2 in raport cu hidrogenul si N.O. +4 si +6 in raport cu oxigenul.

    Clorul are N.O. -1 in raport cu hidrogenul si +1, +3, +5, +7 in raport cu oxigenul.

    Elementele din grupele principale IA, IIA, III A au electrovalenta pozitiva si N.O.

    pozitiv, egal cu numarul grupei.

    Elementele din grupele principale VA-VIIA au electrovalenta negativa si N.O.

    negativ egal cu diferenta dintre 8 si nr. grupei.

    Electropozitivitatea si electronegativitatea

    Elementele care isi realizeaza configuratia stabila prin primire de electroni se numesc

    electronegative iar cele care cedeaza electroni se numesc electropozitive.

    Energia eliberata de un atom, aflat in stare gazoasa, la captarea unui electron, se

    numeste afinitate pentru electron. Cu cit tendinta de a forma ioni negativi este mai mare cu

    atit energia eliberata este mai mare. Variatia afinitatii pentru electroni creste in perioada de la

    stinga la dreapta si in grupa de jos in sus (idem electronegativitate).

    Un atom are tendinta de a forma un ion pozitiv daca se caracterizeaza prin energie de

    ionizare mica si prin afinitate mica pentru electroni. Dimpotriva are tendinta de a forma un

    ion negativ daca se caracterizeaza prin energie de ionizare mare si afinitate mare pentru

    electroni. Capacitatea unui atom de a atrage electroni se numeste electronegativitate: ea

    creste in tabelul periodic de la stinga la dreapta in perioada si de jos in sus in grupa,

    elementele cele mai electronegative fiind situate in grupa a VII-a (F fiind cel mai

    electronegativ). In sens invers variaza electropozitivitatea.

    Caracterul acido-bazic al oxizilor

    Elementele electronegative (nemetale sau metaloizi) formeaza oxizi cu caracter acid

    (genereaza cu apa acizi) iar cele electropozitive (metale) formeaza oxizi cu caracter bazic

    (genereaza cu apa baze). Trecerea de la metale( partea stinga a tabelului) la nemetale (partea

  • 24

    dreapta a tabelului) se face lent prin intermediul semimetalelor (B, Si, Ge, As, Sb, etc), scade

    caracterul metalic si creste cel nemetalic.

    Proprietati caracteristice ale metalelor

    Proprietatile metalice tipice se manifesta numai in stare solida si lichida, acestea

    dispar complet la trecerea metalelor in stare de vapori. Vaporii metalelor sunt monoatomici

    cu exceptia vaporilor metalelor alcaline care contin in proportie mica molecule diatomice (Li 2,

    Na2). Acestea disoceaza usor la temperatura ridicata, energia de legatura fiind mica. Vaporii

    metalelor nu au proprietati metalice, nu conduc curentul electric si se amesteca cu alte gaze in

    orice proportie.

    Proprietati optice

    1. Culoarea

    Cand se gasesc in stare compacta, sub forma de blocuri, bare, placi, granule, fire, metalele

    din grupele principale ale sistemului periodic au o culoare alb argintie, numai cesiul este alb

    auriu, beriliu cenusiu deschis, germaniul alb-cenusiu.

    Metalele tranzitionale sunt in majoritate albe-cenusii.

    Cuprul este rosu - aramiu si aurul galben auriu.

    In stare fin divizata metalele au culoarea cenusiu inchis sau negru, dar Cu si Au isi

    pastreaza culoarea si sub forma de pulberi. Culoarea alb argintie a metalelor este determinata

    de faptul ca ele absorb toate radiatiile din domeniul vizibil. Cuprul absoarbe insa mai puternic

    lumina verde iar aurul lumina albastra, fapt ce determina culorile respective.

    In tehnica metalele sunt clasificate in metale negre sau feroase, prin care se intelege fierul

    (impreuna cu fontele si otelurile), si metale colorate, adica neferoase.

    2. Opacitatea metalelor

    Metalele in stare solida cat si in topitura sunt opace nepermitand trecerea luminii nici

    chiar in foite foarte subtiri.

    Opacitatea se datoreste electronilor de valenta din benzile de energie care absorb toata

    energia radiatiilor luminoase.

    3. Luciul metalelor

    In stare compacta, neoxidata, metalele reflecta aproape toate radiatiile din domeniul vizibil

    si majoritatea celorlalte radiatii electromagnetice cu alte lungimi de unda, prezentand luciu

    metalic. Reflectarea se datoreste electronilor liberi din metal si nu celor localizati la atomi. Mg

    si Al sunt singurele metale care si sub forma de pulbere au luciu metalic.

  • 25

    Proprietati fizico- mecanice

    1. Plasticitatea

    Plasticitatea reprezinta proprietatea metalelor de a se deforma permanent la prelucrarea

    mecanica sub actiunea unei forte exterioare, fara a se fisura sau sfarima. In ordinea scaderii

    plasticitatii se remarca urmatoarele metale:

    Au, Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Sb, Ta (Tantal), Hf, Cu

    Metalele foarte dure si casante cum sunt Ti, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb (Niobiu), Ru (Ruteniu), Os,

    Ir nu se pot prelucra sub presiune.

    Se considera ca deformarile plastice produse de metale in stare compacta cauzeaza o

    translatie in reteaua cristalina de-a lungul unor planuri reticulare. Plasticitatea influenteaza

    maleabilitatea si ductibilitatea.

    2. Maleabilitatea

    Este proprietatea metalelor si aliajelor de a se putea transforma in foi, fara fisurare, prin

    laminare la o temperatura inferioara temperaturii de topire. Maleabilitatea depinde de structura

    cristalina a metalelor, manifestandu-se cel mai intens la metalele care cristalizeaza in retele

    cubice cu fete centrate. Ea depinde de asemenea de temperatura, si anume creste pana la o

    anumita temperatura, dupa care scade si metalele devin casante. Cresterea maleabilitatii cu

    temperatura se datoreste slabirii coeziunii dintre cristale, iar scaderea ei este cauzata de

    formarea unor pelicule de oxid intre cristale.

    Sunt maleabile Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni, din care se pot obtine foi foarte subtiri

    ( chiar si de ordinul ).

    3. Ductilitate

    Ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase in fire prin procesul de trefilare. Prin

    trefilare pot fi prelucrate Au, Ag, Pt, Ni, Ta, Mo, Zr, Nb, Co, Fe, Cu etc.

    Nu se pot trage in fire Be, In, Pb, Tl (taliu), Ti.

    Prin maleabilizare si ductilizare metalele isi schimba considerabil forma sub influenta

    unor solicitari mecanice dar fara a pierde caracteristicile specifice metalelor (Rezistenta, luciu,

    opacitate, conductibilitate). Aceasta dovedeste ca in timpul deformarilor mecanice, atomii care

    constituie reteaua cristalina a metalului isi schimba locul in raport unii cu altii, dar ramin legati

    prin norul de electroni comuni ai benzilor de valenta. Deformarile se datoreaza alunecarilor

    anumitor planuri de atomi fata de planurile similare paralele. Astfel caracterul cristalografic al

    retelei nu se schimba si fortele de coeziune se mentin. O asemenea comportare nu este posibila

  • 26

    decat intr-o retea de tipul celei metalice, ceea ce face din metale un material unic in felul sau,

    indispensabil in constructia de masini si in multe alte utilizari practice.

    Proprietati electrice ale substantelor

    Cand substantele se gasesc sub influenta unui camp electric exterior in acestea se

    manifesta unele modificari specifice ale proprietatilor, uneori insotite de fenomene de transport

    de sarcini. Unele substante sunt bune conducatoare de electricitate, denumite conductori

    electrici, altele sunt rele conducatoare de electricitate, avand proprietati dielectrice.

    Conductorii electrici pot fi grupati in:

    conductori de ordinul I (electronici) Aceste materiale prezint o conductibilitate de

    natur electronic, rezistivitatea lor crete odat cu creterea temperaturii, iar sub

    aciunea curentului electric ele nu sufer modificri de structur. Materialele

    conductoare de ordinul I sunt metale n stare solid i lichid. Dac lum n considerare

    valoarea conductivitii lor, materialele conductoare de ordinul I se pot mpri n:

    - materiale de mare conductivitate, cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe, Zn, PB, Sn etc

    - materiale de mare rezistivitate, care sunt formate de obicei din aliaje i se

    utilizeaz pentru rezistene electrice, elemente de nclzire electric, instrumente de

    msur etc.

    conductori de ordinul II (electroliti). Aceste materiale prezint o conductibilitatea de

    natur ionic, rezistivitatea lor scade odat cu creterea temperaturii, iar sub aciunea

    curentului electric ele sufer transformri chimice. Din categoria materialelor

    conductoare de ordinul II fac parte srurile n stare solid sau lichid, soluiile bazice

    sau acide, soluiile de sruri (deci toi electroliii).

    Substantele a caror conductibilitate electrica este cuprinsa intre cea a conductorilor

    electrici si a dielectricilor sunt denumite semiconductori.

    Modelul benzilor de energie explica conductibilitatea electrica diferentiata la metale,

    semiconductori si izolatori.

  • 27

    La metale banda de valenta si cea de conductie sunt adiacente.

    La semiconductori si izolatori banda de valenta care este complet ocupata se gaseste la

    o anumita distanta fata de banda de conductie, care in stare fundamentala nu este ocupata cu

    electroni. Intervalul dintre cele doua benzi nu poate fi ocupat din motive mecanic- cuantice si

    constituie zona interzisa. Ca urmare la metale trecerea electronilor din banda de valenta in

    banda de conductie se produce fara consum de energie, iar la semiconductori si izolatori aceasta

    trecere se face cu consum de energie. Aceasta energie va fi cu atat mai mare cu cat zona

    interzisa va fi mai mare, iar proprietatile elementului respectiv vor fi mai indepartate de cele

    metalice.

    Metalele au zona interzisa egala cu zero, semiconductorii au zona

    interzisa 5eV iar izolatorii in conditii normale au zona interzisa mai 5eV . De ex. din

    valorile zonelor interzise ale elementelor din grupa a IV-a se observa urmatoarele: carbonul

    (diamantul) este izolator, Si, Ge, Sn cenusiu semicontuctori, iar Pb este metal

    electroconductibil.

    Elementul C(diamant) Si Ge Sn cenusiu Pb

    eV 5,3 1,12 0,73 0,08 0

    Sn are doua modificatii cristaline:

    Sn cenusiu - Sn

    Sn alb - Sn

  • 28

    Materiale electrotehnice si electronice

    Sunt metalele si aliajele lor cu anumite caracteristici specifice. Sunt conductoare de

    ordinul I, au conductivitate electronica, isi maresc rezistivitatea cu cresterea temperaturii si nu

    sufera modificari chimice cand sunt strabatute de curent electric.

    Aliajele metalice sunt substante obtinute din contopirea intima a doua sau mai multe

    elemente chimice, dintre care cel putin unul, aflat in proportia cea mai mare in aliaj si numit

    component de baza este un metal. Aliajele se obtin prin topirea elementelor componente

    Metale si aliaje pentru conductoare electrice

    Cuprul

    In industria electrotehnica se utilizeaza exclusiv Cu rafinat pe cale electrolitica avand

    o puritate de 99,6 99,9%. Ca material conductor, Cu prezinta mare conductivitate electrica

    si termica ocupand locul al 2-lea (dupa Ag). Se dizolva in H2SO4 si HNO3, este atacat de S,

    Cl, H2.

    Caracteristicile mecanice ale Cu depind in mare masura de tratamentul termic. Dupa

    tragere la rece se obtine cuprul tare (dur) care are rezistenta mecanica mare si o alungire mica

    la intindere. Din Cu tare supus recoacerii la T 450 - 5000 C dupa racire se obtin un Cu moale (

    rezistenta mecanica mica si alungire la intindere mare). Cu este foarte ductil si maleabil, se

    lipeste si se sudeaza cu usurinta, are rezistenta satisfacatoare la coroziune.

    Aplicatiile Cu in electrotehnica sunt multiple:conductoare pentru benzi si table, bare,

    piese de contact, lamele de colector la masini electrice, de transport al energiei electrice,

    circuite imprimate etc.

    Prin alierea Cu cu alte metale se obtin materiale cu caracteristici mecanice bune, cu

    rezistenta mai mare la T ridicate, care au insa conductivitate electrica mai mica ( alama,

    bronzul).

    Aluminiul

    Al este cel mai usor dintre metalele utilizate in tehnica. Rezistenta la coroziune in

    atmosfera uscata este satisfacatoare, datorita peliculei de Al2O3 care este aderenta si

    neporoasa. In atmosfera umeda Al este distrus in contact cu metalele tehnice obisnuite. Al nu

    rezista la vibratii mecanice si are rezistenta mica la oboseala.

    Principalele utilizari: fabricarea mantalelor de protectie a cablurilor electrice in locul

    Pb, realizarea infasurarilor rotoarelor in scurtcircuit ale motoarelor asincrone, realizarea

    conductoarelor si cablurilor de transport si distributia energiei electrice

  • 29

    ( conductoarele pentru liniile electrice aeriene se realizeaza din Al cu inima de otel, sarmele

    de otel zincat care formeaza miezul conductorului, suporta sarcina mecanica principala iar

    conductoarele de Al, care se infasoara in jurul miezului de otel au rolul de a conduce curentul

    electric, avand rezistivitatea mai mica decat otelul).

    Otelurile

    Au caracteristici mecanice superioare. Ele pot fi turnate sau sudate. Tenacitatea si

    rezistenta lor sunt influentate de continutul de carbon. In functie de compozitia chimica se

    deosebesc:

    - oteluri nealiate (care contin Fe, C si elemente insotitoare in proportii obisnuite);

    - oteluri aliate (care contin pe langa C si elemente insotitoare si anumite elemente de

    aliere ca de ex. Cr, W, Va si Ti.

    Otelurile aliate sunt denumite dupa elementul principal de aliere si prin urmatoarele utilizari

    in electronica si electrotehnica:

    - otelul manganos se foloseste la rotoarele masinilor electrice;

    - otel Crom nichel- mangan se foloseste la bandajarea rotoarelor;

    - otelul silicios in functie de procentul de Si se foloseste la realizarea tablei

    silicioase pentru tole, a carcaselor scuturilor si polilor masinilor electrice;

    - Otelul wolfram se utilizeaza pentru realizarea magnetilor permanenti, scule

    aschietoare, matrite;

    - Otelul cobalt se foloseste la realizarea magnetilor permanenti.

    Materiale si aliaje cu inalta conductibilitate pentru contacte

    Contactul electric reprezinta atat locul de trecere a curentului electric de la o piesa

    conductoare de curent electric cat si aceste piese. Materialele pentru piesele de contact trebuie

    sa asigure buna functionare a acestora atat la trecerea indelungata a curentului electric, cat si

    in cazul arcului electric care se formeaza la deschiderea contactelor care intrerup curentul

    electric. Un contact necorespunzator se incalzeste din ce in ce mai mult, cauzeaza distrugerea

    pieselor izolante inconjuratoare, avand ca urmare aparitia unor defecte grave cum sunt:

    scurtcircuitele, incendiile.

    Aceste materiale trebuie sa fie bune conducatoare, sa se oxideze cat mai putin, sa aiba

    temperatura de topire cat mai ridicata.

    Cu are conductibilitate electrica si termica foarte bune, rezistenta buna la arc (dar nu la

    curenti de scurtcircuit) cost relativ redus, dar se oxideaza in aer, mai ales la temperaturi

    ridicate, formand un strat rau conducator si rezistent din punct de vedere mecanic. De aceea

  • 30

    folosirea sa este limitata la contactoarele de curent continuu, asigurandu-se autocuratirea prin

    constructie si la aparatele cu contacte in ulei.

    Argintul

    Are cea mai mare conductivitate electrica si termica, cea mai mica rezistenta de contact

    care se formeaza la suprafata si care se indeparteaza foarte usor, dar in atmosfera de sulf

    formeaza un strat de sulfit rau conducator, rezistenta sa mecanica si la arcul electric este

    redusa, de aceea nu poate fi utilizat pentru anumite contacte de rupere, este foarte scump si

    mai ales deficitar.

    Ag fiind foarte moale, pentru marirea duritatii lui el se aliaza cu alte metale, componenta

    de baza a aliajului fiind Ag. Aliajul de Ag cu 3% Cu (argint dur) are duritate foarte mare si

    conductivitate termica si electrica apropiate de cele ale Ag pur. Acest material precum si

    aliajele Ag Cd, Ag Pt, Ag paladiu (Pd) sunt utilizate ca materiale pentru conductele

    electrice. Ag si aliajele sale sunt utilizate pentru armaturi de condensatoare, conductoare

    pentru curenti de inalta frecventa, fuzibile pentru siguranta, fire pentru suspensiile aparatelor

    de masura etc. Ag este un component in aliajele de metale pretioase folosite pentru realizarea

    reostatelor de precizie si etalon. Aliajul Ag Cu Zn se foloseste ca aliaj de lipit pentru

    lipituri care lucreaza la temperaturi ridicate.

    Aurul (Au)

    Este cel mai bun si maleabil dintre metale, el nu se oxideaza la nici o temperatura. Au

    fiind foarte moale se aliaza cu alte metale ( Pt, Ag, Ni, Co, Cu). Au este un element ideal

    pentru acoperiri protejand materialul de oxidari.

    Aliaje ca Au Ag Cu, Au Ni, Au Co, Au Ag Pt, Au Pt sunt folosite la contactele

    electrice ale instrumentelor de precizie etc.

    Platina (Pt)

    Platina este cel mai stabil metal din punct de vedere chimic. Este foarte maleabil si

    ductil, putandu-se lamina in foi si trefila in fire foarte subtiri. Platina este cel mai scump

    dintre metale si pe langa acest dezavantaj are duritate mica. Se utilizeaza la realizarea

    contactelor electrice, fiind in acest caz aliata cu Ir, Ru, W, Ni. Contactele Pt Iridiu sunt

    indicate pentru instrumentele de precizie cu frecventa mare de intrerupere. Tot din Pt se

    executa electrozi pentru termocupluri, rezistente pentru cuptoare electrice, etc.

    Metale si aliaje cu inalta rezistivitate electrica

    Materialele conductoare cu inalta rezistivitate electrica trebuie sa satisfaca urmatoarele

    conditii:

  • 31

    - sa aiba rezistivitate cat mai mare, pentru a se obtine rezistoare cu rezistenta

    electrica cat mai mare intr-un volum cat mai mic;

    - sa suporte temperaturi de functionare, fara ca la racire sa devina fragile sau sa-si

    modifice proprietatile initiale;

    - coeficientul de temperatura al rezistivitatii sa fie cat mai mic ( rezistivitatea sa se

    modifice cat mai putin cu temperatura);

    - forta electromotoare mica in contact cu Cu.

    Cu aceste materiale se realizeaza:

    - rezistoare de precizie si rezistoare etalon;

    - rezistoare de pornire si reglare;

    - rezistoare pentru incalzire electrica.

    Manganina

    Este un aliaj de Cu Mn Ni cu temperatura maxima de lucru de 200 - 300 C, dar cu

    mici modificari ale proprietatilor sale de la 60 C, de aceea nu se recomanda utilizarea pentru

    rezistoarele etalon, peste aceasta temperatura manganina se prelucreaza usor, putand fi trasa

    in benzi si fire subtiri.

    Constantanul

    Este cel mai utilizat aliaj pentru realizarea rezistoarelor. El contine Cu si Ni.

    Constantanul are un coeficient de temperatura extrem de mic si de obicei negativ. Neajunsul

    sau esential, care impiedica folosirea sa pentru realizarea rezistoarelor de precizie si etalon il

    constituie valoarea mare a fortei termoelectromotoare in contact cu cuprul. Acest neajuns nu

    impiedica folosirea constantanului pentru confectionarea rezistentelor aditionale pentru

    voltmetre si pentru alte produse similare din tehnica masuratorilor electrice.

    Constantanul se foloseste pe scara larga la confectionarea termocuplurilor si reostatelor.

    Aliaje pe baza de Ni

    Nicromul

    Nicromul contine crom si nichel. Aceste aliaje au temperatura maxima de utilizare

    10000C si o mare rezistenta la oxidare. Prin adaugare de molibden creste stabilitatea termica

    si rezistenta la temperaturi ridicate.

    Feronicromul

    Feronicromul contine Ni Cr Fe si cateva procente de Mn si Mo. La temperatura

    de 600 - 9000C aceste aliaje devin fragile. Sunt mai ieftine decat aliajele nicrom, dar sunt mai

  • 32

    putin rezistente la oxidare din cauza continutului de fier din aliaj. Aceste aliaje sunt utilizate

    la realizarea dispozitivelor de incalzire.

    Materiale izolante

    Materialele electroizolante, sunt o grupa de materiale care servesc la izolarea elementelor

    conductoare de curent electric. Ele sunt denumite si dielectrici si sunt caracterizate de o

    rezistivitate mare, cuprinsa intre 1012

    1022

    mm2/m.

    Dielectricul fiind un material neconductor, izolator, proprietatile sale dielectrice sunt acelea

    determinate sub actiunea unui camp electric.

    Conditiile pe care trebuie sa le satisfaca materialele izolante in ce priveste proprietatile

    electrice sunt foarte variate, in unele cazuri este necesar sa aiba o rezistivitate mare, in altele o

    rigiditate dielectrica mare, iar in altele un unghi mic de pierdere. Materialele izolante pot avea

    functiuni foarte variate:

    - evacuarea caldurii care se dezvolta in aparatele electrice in timpul functionarii lor

    (protectie impotriva incalzirii excesive in cazul materialelor izolante lichide);

    - suportarea unei sarcini mecanice mari;

    - protectie impotriva umiditatii.

    Ca urmare a acestei diversitati de cerinte se intrebuinteaza un numar mare de materiale

    izolante, care fac parte din grupe foarte diferite de substante.

    Este de remarcat ca de siguranta izolatiei depinde mentinerea si functionarea in bune

    conditii a unui echipament. De aceea trebuie acordata o mare atentie alegerii si utilizarii

    juste a materialeler izolante.

    Rigiditatea dielectrica este o proprietate importanta a materialului legate de fenomenul

    de strapungere (pierderea proprietatilor de izolant) sub influenta campului electric.

    Tensiunea la care are loc strapungerea se numeste tensiune de strapungere iar campul

    electric corespunzator acestei tensiuni se numeste camp de strapungere sau rigiditate

    dielectrica. Rigiditatea dielectrica este un factor important de care trebuie sa se tina seama

    in proiectarea izolatorilor pentru tensiune inalta precum si a dielectricului condensatoarelor

    care functioneaza la tensiuni inalte, folosite in aplicatiile de inmagazinare a energiei.

    Materiale izolante anorganice

    Materiale izolante anorganice folosite in electrotahnica sunt: sticla, mica, ceramica,

    azbestul.

  • 33

    Avantajele materialelor electroizolante anorganice in raport cu cele organice sunt:

    stabilitate termica ridicata, nu se carbonizeaza si nu se erodeaza sub e fectul electric, nu se

    oxideaza.

    Dezavantajele constau in:

    - proprietati electrice mai slabe, mai fragile;

    - rezistenta la intindere redusa;

    - cost ridicat;

    - nu pot fi obtinute in grosimi mici si in fire subtiri ( cu exceptia sticlei).

    Sticla

    Este un material termoplast, transparent, nehigroscopic, nu este atacata de baze si acizi

    ( cu exceptia acidului fluorhidric).

    Utilizari:

    - izolatoare: impun proprietati electroizolante bune, higroscopicitate redusa,

    rezistenta mare la variatii rapide de temperatura (izolatoarele instalatiilor de

    telecomunicatii);

    - lampi electrice si tuburi electronice: impun transparenta la radiatii UV, rezistenta

    la temperaturi ridicate si la actiunea vaporilor metalici, coeficient de dilatare cat

    mai apropiat de al metalului cu care se imbina lampa sau tubul electronic

    - fibrele de sticla pentru comunicatii sunt de mare puritate si servesc drept ghid de

    unde in comunicatii electrice pe frecvente optice.

    Mica

    Mica este un material electroizolant natural. In electrotehnica sunt utilizate doua varietati de

    mica:

    - muscovit incolor sau cu nuante de roz sau verde si se utilizeaza in special ca

    dielectric in condensatoare si ca izolatie de inalta frecventa;

    - flagopit colorat in brun, aproape negru, galben sau verde avand temperatura de

    lucru mai mare decat muscovitul, este inert d.p.d.v. chimic si se utilizeaza in

    masinile si aparatele de inalta tensiune, datorita rigiditatii sale dielectrice ridicate.

    Rezistenta mare la temperatura si rezistenta la uzura apropiata de cea a cuprului fac

    posibila utilizarea sa ca izolatie intre lamelele colectorului la masini electrice.

    Ceramica

    Piesele ceramice se glazureaza ( se acopera cu unstrat subtire sticlos) obtinindu-se piese

    nehigroscopice cu rezistenta mecanica imbunatatita. Exemple de ceramice electrotehnice:

  • 34

    - portelanul electrotehnic are rezistenta buna la agenti chimici, comportare buna la

    temperatura ridicata si in atmosfera umeda. Este insa foarte fragil si are o

    rezistenta slaba la socuri termice. Prezinta contractie mare la racire si nu se pot

    obtine din aceasta cauza piese de dimensiuni exacte. Este utilizat pentru izolatoare

    de joasa si inalta tensiune si diverse piese pentru aparate electrice

    - steatita (silicat de Mg) au caracteristici superioare celor ale portelanului avand

    pierderi dielectrice mici si la frecvente inalte. Este utilizat in instalatii de inalta

    frecventa. Are caracteristici mecanice bune si comportare buna la arcul electric,

    de aceea este utilizata la fabricarea izolatoarelor de inalta tensiune.

    - Ceramicile cu compusi de titan se utilizeaza la condensatoare, modulatoare,

    multiplicatoare de frecventa.

    Azbest

    Este un material natural. Firele de azbest sunt flexibile. Este un material higroscopic, are

    pierderi dielectrice mari si pentru a fi utilizat ca material electroizolant se impregneaza cu

    compusi fenolici. Se utilizeaza si ca izolant termic, avand temperaturi maxime de utilizare de

    315C.

    Materiale izolante organice

    Aceste materiale pot fi termiplaste si termorigide. Materialele termoplaste se inmoaie

    si se topesc reversibil ( dupa racire pot fi retopite). Materialele termorigide (termoreactive) nu

    se inmoaie la caldura si se transforma ireversibil.

    Hartia

    Este un produs natural pe baza de celuloza, este foarte higroscopica si de aceea nu poate fi

    utilizata ca atare ci numai impregnata cu lacuri. Nu suporta temperaturi ridicate. Se foloseste

    la:

    - izolatii pentru cabluri electrice si uleiuri sicative; are rigiditate dielectrica mare,

    rezistenta mare la sfasiere;

    - dielectric pentru condensatoare, se impregneaza cu ulei de condensator, de ricin

    sau parafina pentru imbunatatirea caracteristicilor electrice;

    - utilizare in telefonie serveste la izolarea cablurilor telefonice si a conductoarelor

    de bobinaj.

    Uleiuri

  • 35

    Uleiurile vegetale numite si uleiuri sicative sunt utilizate la fabricarea lacurilor

    electroizolante. Uleiurile minerale sunt produse naturale obtinute din titei. Au urmatorele

    utilizari:

    - izolant in transformator si la racirea acestuia. Uleiul pentru transformator se

    utilizeaza si la intrerupatoare electrice;

    - pentru impregnarea hartiei la cablurile izolate cu hartie.

    Rasini

    Rasinile pot fi naturale sau sintetice. Cele naturale sunt produse de animale sau de arbori

    rasinosi:

    - elacul - este o substanta termorigida de origine animala. Se dizolva in alcool, acid

    acetic, acid formic. Are bune proprietati de incleiere, se utilizeaza la fabricarea

    lacurilor de lipit, de impregnare si la fabricarea materialelor plastice

    - colofoniul - se obtine din rasina unor conifere. El este solubil in alcool, uleiuri,

    hidrocarburi. Se foloseste la impregnarea hartiei pentru izolarea cablurilor de inalta

    tensiune sau umplerea mansoanelor cablurilor electrice.

    SISTEME DISPERSE

    Sistemele disperse reprezinta amestecuri de 2 sau mai multe substante, caracterizate

    prin omogenitate sau microheterogenitate, in care cel putin una din componente se gaseste

    dispersata la nivel molecular si care joaca rol de dispersant. O a doua componenta numita

    substanta dispersata se poate gasi in sistem dispersata la maximum posibil (deci la nivel

    molecular, atomic sau ionic) sau poate avea particule aglomerate pina la anumite nivele, incit

    in unele cazuri acestea pot fi observate cu ochiul liber sau la un microscop optic obisnuit.

    Dupa dimensiunile particulelor dispersate, sistemele disperse se clasifica in:

    a. Solutii adevarate sau cristaloide, in care particulele componentei dispersabile se

    gasesc dispersate la maximum posibil, respectiv la nivelul particulelor chimice (molecule,

    atomi, ioni), incit apare o singura faza, lichida si omogena. Dimensiunile particulelor

    dispersate sunt de ordinul 10-7

    -10-8

    cm.

    b. Dispersii grosiere sau suspensii in care particulele dispersate sunt suficient de

    mari pentru a fi observate cu ochiul liber sau la microscop; acestea nu trec prin hirtia de filtru

    obisnuita. Diametrul unei astfel de particule este mai mare de 10-5

    cm.

  • 36

    c. Sistemele coloidale se situeaza intre solutiile cristaloide si suspensii

    Particulele dispersate intr-un sistem coloidal nu se observa la microscop, dar sunt observabile

    la ultramicroscop si la microscopul electronic; trec prin hirtia de filtru obisnuita dar nu trec

    prin ultrafiltre. Diametrul unei particule coloide este de ordinul 210-5

    - 210-7

    cm.

    SOLUTII CRISTALINE

    Solutiile sunt amestecuri omogene formate din 2 sau mai multe substante care se

    gasesc dispersate la nivelul particulelor chimice. Aceste particule nu sint observabile cu

    ajutorul microscoapelor, trec usor prin hirtiile de filtru, deci nu se pot separa prin filtrare sau

    centrifugare. In alcatuirea unei solutii exista o componenta care dizolva, numita dizolvant,

    solvent sau mediu de dispersie, care se gaseste in exces fata de componenta care se dizolva,

    numita corp solubil, solut, solvat, substanta dizolvata sau dispersata. Dupa starea lor de

    agregare, solutiile adevarate se clasifica in:

    - solutii gazoase (amestecuri de gaze care indiferent de structura lor chimica se pot

    amesteca in orice proportie);

    - solutii lichide ( pot fi solutii de gaz in lichid, lichid in lichid si de solid in lichid) si

    - solutii solide ( se intilnesc mai frecvent in cazul aliajelor).

    Procesul prin care substantele solubile trec in solutii se numeste solvatare si se

    realizeaza prin stabilirea unor interactiuni intre moleculele de solvent si particulele solubile

    (forte van der Waals, interactiuni ion-dipol, dipol-dipol, punti de hidrogen).

    SOLUTII COLOIDALE

    Solutiile coloidale reprezinta sisteme disperse, aparent omogene, care in realitate sunt

    sisteme microheterogene, in care particulele dispersate se caracterizeaza prin dimensiuni

    superioare particulelor chimice obisnuite. La un sistem coloidal se distinge un mediu de

    dispersie numit in acest caz dispergent, corespunzator solventului in cazul unei solutii

    adevarate, si faza dispersa, care corespunde substantei solvite dintr-o solutie obisnuita.

    Dispersiile coloide se mai numesc si soli, iar faza dispersa, izolata intr-un sol, se numeste gel.

    Clasificarea sistemelor coloidale se realizeaza dupa mai multe criterii:

    a. dupa forma particulei coloide se disting coloizi cu particule sferice si cu particule alungite

  • 37

    b. dupa natura particulei coloide se disting coloizi micelari si coloizi macromoleculari

    Coloizii micelari (coloizi de asociatie) se formeaza prin unirea unui numar mai mare

    de molecule obisnuite, atomi sau ioni, unire realizata prin forte van der Waals, forte

    electrostatice sau prin punti de hidrogen. Ansamblul acestor asociatii poarta numele de miceli

    si apar in mediul in care substanta respectiva nu este solubila. Unii hidroxizi ca Al(OH)3,

    Fe(OH)3, Cr(OH)3, detergenti, sapunuri de sodiu si potasiu, formeaza coloizi micelari in

    mediu apos.

    Coloizii macromoleculari sunt solutii moleculare adevarate, in care faza dispersa este

    formata din substante macromoleculare. Dimensiunile macromoleculelor sunt comparabile cu

    ale particulelor coloidale, proprietatile lor sunt asemanatoare cu cele ale solutiilor coloidale.

    Solutii coloidale macromoleculare formeaza cauciucul dizolvat in benzen sau alti compusi

    macromoleculari ca polietilena, polistirenul, policlorura de vinil, etc. Se cunosc substante

    macromoleculare care formeaza solutii coloide in apa (amidonul, proteinele solubile-albus de

    ou, gelatina, etc.).

    c. dupa interactiunea dintre moleculele dispergentului si cele ale fazei dispersate se disting

    coloizi liofili si liofobi, iar cind dispergentul este apa, coloizii pot fi hidrofili si hidrofobi.

    In cazul coloizilor liofili, intre moleculele dispergentului si faza dispersa apar

    interactiuni prin forte van der Waals sau de natura electrostatica (ex. coloizi macromoleculari

    si de asociatie amidon in apa, sapun in apa, gelatina in apa, unii hidroxizi metalici in apa,

    etc.). In cazul coloizilor liofobi nu apare nici o interactiune intre particula coloida si

    moleculele de dispergent, adica particula coloida nu se solvateaza, ca in cazul coloizilor

    liofili(ex.suspensii de substante insolubile in apa-AgI, S, aur, grafit coloidal, etc.).

    d. dupa fluiditatea lor, sistemele coloidale pot fi liber disperse sau continuu disperse.

    Sistemele liber disperse manifesta o mobilitate ridicata a particulelor coloide si o

    fluiditate notabila a solutiei (ex. hidrosolurile, organosolurile- solul de AgI in apa, etc.).

    Sistemele coloide continuu disperse contin particule dispersate unite intre ele instructuri

    tridimensionale care manifesta anumita rezistenta la alunecare si deci sistemul are o fluiditate

    mai redusa (ex. solutii de gelatina, de cleiuri, de albumine, etc.).

    e. dupa starea de agregare a componentelor, sistemele coloide se clasifica in soluri

    (suspensii), emulsii, spume si aerosoli.

    Solurile sunt sisteme coloide la care dispergentul este lichid iar dispersatul solid (ex.

    aur coloidal, proteine in apa, suspensii de pigemnti sau coloranti organici in apa, etc).

    Emulsiile sunt sisteme coloide la care atat dispergentul cat si dispersatul sunt lichide

    partial miscibile sau nemiscibile. Ex. grasimi lichide in apa, laptele, smintina, maioneza, etc.

  • 38

    In industrie, se intilnesc frecvent emulsii in sectorul alimentar, la prepararea a unor lacuri si

    vopsele, in procesele de flotatie pentru imbogatirea minereurilor,etc.

    Substantele care au proprietatea de a favoriza emulsionarea, stabilizind emulsiile, se

    numesc emulgatori (substante emulsionante): ex. sapunuri, detergenti sintetici, proteine, guma

    arabica, unii derivati sulfonici, caolin, unele saruri anorganice, etc.

    Se cunosc 2 tipuri de emulsii: tipul ulei in apa (U-A) (numite si emulsii directe) si

    tipul apa in ulei (A-U) (numite si emulsii indirecte).

    Tipul unei emulsii depinde de natura emulgatorului si in f. mica masura de proportia

    fazelor componente: faza lichida care interactioneaza mai bine cu emulgatorul devine

    dispergent. Astfel folosind sapunul de sodiu sau detergenti sintetici ca emulgatori se obtin

    emulsii de tip U-A, deoarece acestia interactioneaza mai bine cu apa decit cu uleiul. Emulsiile

    de tip A-U se obtin folosind un emulgator a carui molecula interactioneaza mai puternic cu

    uleiul, de ex. sapunul de calciu sau magneziu.

    Emulsiile stabile pot fi sparte, avind loc un proces de dezemulsionare. Acest


Recommended