Date post: | 19-Nov-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | ichim-lawinne-marie |
View: | 76 times |
Download: | 9 times |
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