1.1. Structura atomului

    Chimia este ştiinţa care studiază compoziţia şi structura substanţelor, proprietăţile substanţelor (proprietăţi care sunt determinate de compoziţie şi structură) precum şi posibilităţile de transformare a substanţelor.

Substanţele sunt porţiuni omogene de materie şi sunt constituite din atomi şi din molecule.

Atomul este unitatea structurală, neutră din punct de vedere electric, indivizibilă prin metode chimice, caracterizată de o anumită structură şi de un set de proprietăţi bine determinate. Atomul este constituit dintr-un nucleu (în care se găsesc protoni şi neutroni) cu sarcină electrică pozitivă şi un înveliş de electroni.

Protonii  () sunt particule materiale cu masa 1u.a.m. şi sarcina +1.

O unitate atomică de masă (u.a.m.) reprezintă a douăsprezecea parte din masa izotopului ₁₂C al carbonului.

Neutronii () sunt particule materiale cu masa de 1 u.a.m. şi sarcină nulă.

Electronii (e^-) sunt particule materiale cu masa relativă foarte mică (1/1840 u.a.m.) şi cu sarcină negativă, -1.

Numărul de protoni din nucleul unui atom se notează cu Z şi se numeşte număr atomic.

Totalitatea atomilor cu acelaşi număr atomic Z constituie un element chimic. Până în prezent au fost identificate 111 elemente. Elementele chimice sunt aranjate pe baza proprietăţilor lor în sistemul periodic al elementelor. Acesta este format din coloane verticale numite grupe şi linii orizontale numite perioade, (Anexa 1).

Orice element chimic are o denumire a cărei scriere prescurtată se numeşte simbol: natriu (sodiu), Na; sulf, S; oxigen, O; cupru, Cu; azot (nitrogen) N etc.

Orice atom este caracterizat şi printr-o masă. Masa absolută a atomilor este foarte mică (de ordinul 10^-24 g). În mod curent masa se exprimă ca masă relativă, în u.a.m. Aceasta se notează cu A şi se mai numeşte număr de masă. Masele atomice sunt tabelate şi se găsesc înscrise şi în sistemul periodic al elementelor în care simbolizarea curentă a unui element E este .

Atomul gram sau molul de atomi reprezintă cantitatea dintr-un anumit element , numeric egală cu masa atomică şi exprimată în grame.

Speciile atomice care au acelaşi număr atomic (acelaşi număr de protoni în nucleu şi acelaşi număr de electroni în învelişul electronic) dar au masa atomică diferită se numesc izotopi. Izotopii au proprietăţi fizice şi chimice foarte apropiate sau identice.

Învelişul de electroni are structura stratificată. Electronii alcătuiesc zone de electricitate negativă, cu anumite forme, energii şi orientări numite orbitali. Ocuparea orbitalilor cu electroni se face în ordinea crescătoare a energiei acestora adică de la nucleu către exteriorul atomului.

Structura învelişului de electroni (de cele mai multe ori structura stratului exterior) determină valenţa atomilor. Valenţa este dată de numărul de electroni cu care un atom participă la formarea legăturilor. Unii atomi participă mereu la formarea substanţelor cu acelaşi număr de electroni şi au deci valenţă fixă (metalele alcaline, metalele alcalino-pământoase şi alţi atomi ca B, O, Zn, Cd, Hg, F ş.a.). Alţi atomi, în funcţie de condiţii, participă la formarea de legături cu un număr variabil de electroni adică au valenţă variabilă (Fe, Cu, Mn, Sn, Pb, P, S, C, Cl, Br ş.a.). Dacă în aprecierea valenţei se ţine cont şi de sarcina reală sau formală pe care atomul o dobândeşte se obţin numerele de oxidare. Acestea sunt pozitive când electronii sunt cedaţi şi negative când electronii sunt acceptaţi de către atomi.

Structura învelişului de electroni al atomilor se poate reprezenta printr-o formulă electronică în care numerele arabe indică numărul stratului electronic, literele s, p, d, f  - orbitalii iar numărul de electroni corespunzători fiecărui orbital este reprezentat ca un indice superior. Pentru reprezentarea învelişului de electroni a atomilor se pot aplica diferiţi algoritmi. Unul dintre aceştia este “tabla de şah”.

Respectând regula completării succesive cu electroni, a straturilor electronice în ordinea crescătoare a energiei acestora, ocuparea cu electroni se realizează completând cu electroni straturile şi substraturile succesiv, pe orizontalele “tablei de şah”.

Astfel  structura  învelişului  de  electroni  al  atomului  de  sodiu,  ₁₁Na  poate  fi  reprezentată  astfel: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Cei 11 electroni ai atomului de natriu sunt repartizaţi pe 3 straturi electronice, pe orbitali de tip s şi de tip p. Pe ultimul strat electronic există un singur electron, datorită căruia elementul natriu prezintă o singură valenţă.

În funcţie de poziţia electronului distinctiv, elementele au fost clasificate în patru blocuri:

-         Elementele din blocul “s” adică elementele care au electronul distinctiv într-un orbital de tip s al ultimului nivel electronic care se poate reprezenta ns^1-2. Elementele din blocul s se află în sistemul periodic în grupa a 1-a (metale alcaline)  şi grupa a-2-a (metale alcalino-pământoase). Numerele de oxidare ale acestor elemente sunt pozitive şi egale cu numărul grupei.

-         Elementele din blocul “p” sunt elementele care au electronul distinctiv într-un orbital p al ultimului nivel electronic. Formula electronică caracteristică  a acestui ultim nivel este ns² np^1-6. Elementele din această categorie se găsesc în sistemul periodic în grupele 13…18 (grupa metalelor pământoase, grupa carbonului, grupa azotului, grupa oxigenului, grupa halogenilor respectiv grupa gazelor rare). Unele elemente au caracter metalic iar altele au caracter nemetalic. Elementele din acest bloc prezintă valenţă variabilă, cu unele excepţii: fluorul, F, (I,-1) şi oxigenul, O (II,-2); pentru celelalte elemente ale blocului “p” numerele de oxidare sunt fie negative, adică egale cu (18 - nr. grupei) fie pozitive adică egale cu (numărul grupei – 10)  sau cu din doi  în doi mai mici decât acestea.

-         Elementele din blocul “d” au electronul distinctiv într-un orbital de tip d al penultimului strat electronic. Formula electronică  care caracterizează aceste elemente este ns² (n-1) d^1-10 în care n = 4, 5, 6. Toate elementele “d” prezintă caracter metalic, se numesc metale tranziţionale şi se găsesc în grupele 3…12. Aceste elemente prezintă valenţă variabilă şi au numai numere de oxidare pozitive.

-         Elementele din blocul “f” sunt elementele care au electronul distinctiv pe orbitalii de tip f ai antepenultimului strat electronic. Formula electronică care caracterizează, cu mici excepţii, aceste elemente este ns² (n-1) d^1-10 (n-2) d^1-14 în care n = 6, 7. Elementele din blocul “f” prezintă caracter metalic, sunt tot metale tranziţionale şi au numere de oxidare pozitive. În sistemul periodic sunt plasate în grupa a 13-a; cele pentru care n = 6 se numesc lantanoide şi sunt plasate în căsuţa lantanului iar cele pentru care n  = 7 se numesc actinoide şi sunt plasate în căsuţa actiniului. Elementele din blocul “f” au valenţă variabilă, pentru lantanoide numărul de oxidare predominant fiind +3 dar actinoidele pot prezenta numere de oxidare tipice elementului respectiv.

Atomii au tendinţa de a-şi realiza o configuraţie electronică stabilă, asemănătoare cu a elementului din grupa a 18-a (gaz rar) cel mai apropiat prin cedare, acceptare sau prin punere în comun de electroni.

Energia consumată la îndepărtarea unui electron dintr-un atom se numeşte energie de ionizare, I. Energia care se eliberează la alipirea unui electron de către un atom se numeşte afinitate pentru electroni, A. Energia de ionizare şi afinitatea se măsoară în unităţi de energie şi se exprimă, cel mai adesea în eV.

Valoarea absolută a diferenţei dintre energia de ionizare şi afinitate se numeşte electronegativitate Mulliken şi permite compararea activităţii chimice a atomilor. În practică se lucrează cu electronegativitatea relativă, X, introdusă de chimistul american Linus Pauling şi este definită ca raportul dintre electronegativitatea elementului şi electronegativitatea litiului. Electronegativităţile relative au valori cuprinse între 0 şi 4

                                                                                                                            (1.1)

În tabelul 1.1 sunt prezentate electronegativităţile relative ale câtorva elemente:

Tabel 1.1 Electronegativităţi relative ale unor elemente

Atomii care posedă un număr mic de electroni (1…3) pe ultimul strat electronic au energia de ionizare mică, afinitate pentru electroni mică, electronegativitate mică şi prezintă caracter metalic.

Atomii care au un număr mare de electroni pe ultimul strat (4…7) au energie de ionizare mare, afinitate pentru electroni mare şi prezintă caracter de nemetal.

Atomii care reacţionează, în funcţie de condiţiile de reacţie, atât ca metale cât şi ca nemetale prezintă caracter amfoter.