Proprietatile generale ale elementelor

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.

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

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.

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/ cm³ 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

Analiza: Genetica umana - tipuri mendeliene de eredit Analiza: Pielea - organ conjunctivo-epitelial

Atomii pot ajunge la configuratii stabile in 2 feluri:

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-)

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 O₂ covalenta este 2 iar pentru N₂ covalenta este 3).

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 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 (Li₂, 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.

Proprietati fizico- mecanice

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), Hg, 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.

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 m

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 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 prezinta o conductibilitate de natura electronica, rezistivitatea lor creste odata cu cresterea temperaturii, iar sub actiunea curentului electric ele nu sufera modificari de structura. Materialele conductoare de ordinul I sunt metale in stare solida si lichida. Daca luam in considerare valoarea conductivitatii lor, materialele conductoare de ordinul I se pot imparti in:

-- 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 si se utilizeaza pentru rezistente electrice, elemente de incalzire electrica, instrumente de masura etc.

conductori de ordinul II (electroliti). Aceste materiale prezinta o conductibilitatea de natura ionica, rezistivitatea lor scade odata cu cresterea temperaturii, iar sub actiunea curentului electric ele sufera transformari chimice. Din categoria materialelor conductoare de ordinul II fac parte sarurile in stare solida sau lichida, solutiile bazice sau acide, solutiile de saruri (deci toti electrolitii).

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.

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.

Sn are doua modificatii cristaline:

Sn cenusiu a - Sn

Sn alb b - Sn