1

CHIMIE FIZICĂ.STRUCTURA MOLECULELOR

CURSUL NR. 1

CONSTANTIN APETREIconstantin_apetrei@yahoo.comSD202

2

IMPORTANŢA STRUCTURIIMOLECULELOR

?ŞTIINŢIFIC

PRACTIC

3

1. INTRODUCERE

Structura moleculară reprezintă unadintre ramurile fundamentale ale chimieifizice. Cunoaşterea structurii molecularepresupune determinarea modului de aranjareşi de legare a atomilor, ionilor şi radicalilor, ainfluenţelor directe sau indirecte dintreaceştia, a forţelor care participă apoi laconstituirea noii substanţe.

Înţelegerea structurii atomilor şimoleculelor necesită cunoaşterea mişcăriiparticulelor subatomice sub acţiunea forţelorla care sunt supuse.

4

Iniţial s-a încercat explicarea mişcăriiacestor particule folosind principiilemecanicii clasice introduse de către IsaacNewton, principii care explicau foarte binemişcarea corpurilor obişnuite şi a planetelor.

Fizica clasică prevede, prin principiilesale, următoarele:

• particulele au traiectorii precise, cu poziţii şimomente precis specificate;

• permite explicitarea modurilor mişcărilor detranslaţie, rotatranslaţie, rotaţie şi vibraţie laorice energie, prin simpla controlare aforţelor aplicate.

5

Aceste principii, însă, nu se pot extinde laatomi individuali şi la particulele subatomicedeoarece s-a demonstrat experimental călegile mecanicii clasice nu se aplică latransferul unor cantităţi foarte mici deenergie şi nici la obiecte cu mase foarte mici.Structurile atomilor şi moleculelor au fostexplicate prin intermediul teoriei cuantice.

Observaţiile asupra corpului negru,capacităţii calorice şi spectrelor atomilor şimoleculelor sunt cele care arată că sistemelepot schimba energie numai în cantităţidiscrete.

6

Orice obiect fierbinte emite radiaţii. Senumeşte corp negru obiectul capabil săemită şi să absoarbă uniform toatefrecvenţele radiaţiei. Studiul emisiei deradiaţii electromagnetice de către un corpnegru a condus la formularea următoarelorlegi:

1) Energia totală emisă într-o secundă de 1cm2 din suprafaţa unui corp negru, esteproporţională cu puterea a patra atemperaturii absolute a corpului radiant (J.Stefan şi L. Boltzmann):

E = const · T4 (1.1)

7

2) La creşterea temperaturii, maximul deenergie radiantă se deplasează sprelungimi de undă mai mici, adică sprefrecvenţe mai mari (W. Wien).

T·λmax= const. (1.2)

8

Limitarea energiei la valori discrete a fostnumită cuantificarea energiei. Emisiaradiaţiilor nu se produce continuu, ci subforma unor cantităţi elementare de energienumite cuante.Energia unei cuante de energie este directproportională cu frecvenţa radiaţiei:

E = h·n (1.3)

unde h = 6,62608 · 10-34 j·s şi se numeşteconstanta lui Planck iar n reprezintăfrecvenţa.

9

Energiile permise ale unui oscilator alfrecvenţei n sunt multipli întregi de h·n:

E = n· h·n (1.4)

unde n ia valorile 1, 2, 3, ... şi se numeştenumăr cuantic principal.

Descoperirea lui Planck a determinat oreevaluare a teoriei corpusculare a luiNewton, în sensul că acesta concepelumina sub forma unor corpusculi, deenergii unitare (hn), numiţi fotoni.

10

Cea mai concludentă dovadă asupracuantificării energiei provine dinobservarea frecvenţei radiaţiei absorbite deatomi şi molecule, adică a spectreloracestora.

Trăsătura comună a ambelor spectre esteaceea că radiaţia este emisă sau absorbităla o serie de frecvenţe discrete.Dacă energia unui atom sau a uneimolecule scade cu ΔE, energia esteeliberată ca radiaţie de frecvenţă n = ΔE/h şiapare o linie în spectru.

11

12

13

1.2. Dualitatea corpuscul-undă

Energiile câmpului electromagnetic şi aleatomilor oscilatori sunt cuantificate. Dovezileexperimentale care vin în sprijinul teorieiasupra naturii materiei (de corpuscul şi deundă) sunt date de efectul fotoelectric şi dedifracţia electronilor.

Studiul asupra efectului fotoelectric duce laconcluzia că radiaţia electromagnetică, careeste prezentată de fizica clasică drept oundă, prezintă şi caracter de particulă.

14

Experienţele de difracţie de electroni arată căelectronii, care în fizica clasică sunt trataţi caparticule, posedă şi caracteristici de unde.

Faptul că radiaţia electromagnetică defrecvenţă n poate avea doar energiile 0, hn, 2hn, ... arată că aceasta poate fi considerată cafiind formată din 0, 1, 2, 3,... particule avândenergia hn. Dacă este prezentă o particulă,energia va fi hn, dacă sunt două particule,energia va fi 2 hn şi aşa mai departe. Acesteparticule de radiaţie electromagentică senumesc fotoni.

15

O altă dovadă asupra caracteruluicorpuscular al radiaţiei o constituie valoareenergiei electronilor produşi prin efectfotoelectric.

Efectul fotoelectric reprezintă fenomenul deemisie de electroni din metale când acesteasunt expuse la radiaţii ultra violete.Metalele alcaline emit electroni chiar subacţiunea luminii vizibile.

16

Expulzarea unui electron se poate facenumai în urma unei ciocniri a acestuia cu oparticulă care poartă suficientă energie. Dacăparticula este un foton de energie hn, atuncipotrivit legii conservării energiei, energiacinetică a electronului expulzat este:

mev2/2= h n – Ф (1.5)unde:- me este masa electronului;- Ф este o caracteristică a metalului, numităfuncţie de lucru, sau lucru de expulzare, şireprezintă energia necesară pentru aîndepărta un electron din metal (analogenergiei de ionizare pentru atomi).

17

Caracterul ondulatoriu al particulelor a fostpus în evidenţă în urma observării difracţieide electroni pe un cristal.

Difracţia este o proprietate caracteristică aundelor, iar particulele prezintă proprietăţiondulatorii. La examinarea la scară atomică,conceptele de particulă şi de undă seîntrepătrund, particula luând caracteristiciale undelor, iar undele caracteristici aleparticulelor.

18

19

Plecând de la aceste premise, Louis deBroglie a formulat următorul principiu:

Oricărui corpuscul cu masă relativă m şi carese deplasează cu o viteză v (un electron) îieste asociată o undă a cărei lungime deundă, λ, este definită de relaţia:

= h/p (1.6)

• unde h este constanta lui Planck şi p esteimpulsul particulei.

mvh

=l

20

Caracterul combinat de particulă şi undă almateriei şi radiaţiei se numeşte dualitateacorpuscul-undă.

Conform relaţiei (1.6) corpurilemacroscopice, care au impulsuri foarte mari(au masa mare), au proprietăţi ondulatoriigreu de observat, iar radiaţiileelectromagnetice (UV-VIS) pentru careimpulsurile sunt foarte mici, au lungimile deundă mari şi proprietăţile corpusculare suntgreu de observat.

21

În acest context, de Broglie şi Heinsenbergau reconsiderat ideile despre structuraatomului, negând pe de o parte caracterulexclusiv corpuscular al electronului, iar pede altă parte negând posibilitatea urmăririielectronului pe o anumită traiectorie.

Imposibilitatea de a descrie comportareaelectronului prin precizarea poziţiei şi vitezeiîntr-un anumit punct, la un moment dat, estedată de „principiul de incertitudine” al luiHeinsenberg (1927).

22

Conform acestui principiu, precizia cucare se poate determina poziţia uneiparticule (coordonata q) şi respectiv impulsulasociat acestei coordonate, pq, nu poate fioricât de mare, deoarece între erorile cu carese determină aceste mărimi Dq şi Dpqrespectiv trebuie să existe relaţia:

(1.7)p2hpq q ³D×D

23

O relaţie asemănătoare se stabileşte şiîntre preciziile cu care se pot determinaenergia sistemului şi timpul:

(1.8)p2htE ³D×D

24

Relaţiile (1.7) şi (1.8) cunoscute subdenumirea de „relaţiile de incertitudine” alelui Heinsenberg au o semnificaţie deosebitde importantă pentru particulelemicroscopice, cu caracter dual.

Pe baza lor se explică faptul că mişcareaacestor particule nu poate fi caracterizatăprin traiectorii în sens clasic, ci prin noţiuneade probabilitate de existenţă a particulei într-un anumit domeniu al spaţiului.

25

Vă mulţumesc pentru atenţie!