Elemente si combinatii chimice

1. Elemente si combinatii chimice Sistem periodicProprietati periodiceHidrogen & Oxigen & Combinatii (ale acestora) http://vl.academicdirect.org/general_chemistry/periodic_system

2. Sistemul periodic

3. 67Ho 70Yb 91Pa 102No 99Es 59Pr 27Co 28Ni 29Cu 47Ag 45Rh 46Pd 79Au 77Ir 78Pt 96Cm 97Bk 87Fr 86Rn 95Am 64Gd 55Cs 94Pu 54Xe 65Tb 88Ra 93Np 63Eu 37Rb 36Kr 98Cf 66Dy 85At 56Ba 92U 62Sm 53I 19K 18Ar 38Sr 35Br 61Pm 89Ac 10Ne 11Na 20Ca 17Cl 90Th 68Er 60Nd 12Mg 100Fm 57La 9F 2He 3Li 69Tm 58Ce 101Md 4Be 39Y 1H 84Po 52Te 34Se 16S 8O 21Sc 71Lu 103Lw 7N 22Ti 104Rf 15P 40Zr 72Hf 6C 5B 33As 105Ha 73Ta 41Nb 23V 51Sb 14Si 13Al 74W 42Mo 24Cr 30Zn 83Bi 32Ge 31Ga Mn 48Cd Re 75 43Tc 25 50Sn 49In 26Fe 82Pb 80Hg 81Tl 44Ru Os 76

4. Criteriul de bază al clasificării elementelor este numărul atomic, Z care reprezintă numărul total de electroni ai atomilor, respectiv numărul de protoni din nucleu • Elementele în sistemul periodic sunt aşezate în coloane verticale - grupe - respectiv şiruri orizontale - perioade. Succesiunea perioadelor respectă succesiunea nivelelor principale de energie sau a straturilor electronice din atomi. Deci numărul perioadei din sistem este egal cu numărul cuantic principal (a stratului în curs de ocupare). Numărul grupei reprezintă numărul electronilor de pe ultimul înveliş, care determină proprietăţile chimice ale elementelor. Astfel se explică similitudinea proprietăţilor chimice în grupe. • Proprietăţile chimice ale elementelor sunt determinate în primul rând de tendinţa atomilor de a realiza configuraţii electronice cât mai stabile şi de a-şi folosi cât mai complet orbitalele de valenţă.

5. The periodic "law" of chemistry recognises that properties of the chemical elements are periodic functions of their atomic number (that is, the number of protons within the element's atomic nucleus). The periodic table is an arrangement of the chemical elements ordered by atomic number in columns (groups) and rows (periods) presented so as to emphasize their periodic properties. • There are many different ways, sometimes ingenious, of arranging the chemical elements according to which properties are of particular interest but that shown here is a standard form of the periodic table. The relative merits of various other periodic table organisations is still the subject of debate.

6. Marimi si proprietati • Anion: atom sau grup de atomi care contin mai multi electroni decat protoni – consecinta - orice sistem incarcat negativ este referit ca anion; Cation: idem opus • Raza atomica: masura dimensiunii relative a atomilor (vezi O2 si H2O) • Afinitatea electronica: masura a abilitatii sau tendintei unui atom de a primi electroni – concept energetic – definitia formala refera un electron: X + 1e-→ X-1 + E.A. • Electronegativitatea: abilitatea unui atom legat de a atrage electroni; la nivel de legatura, electronul poate fi pus in comun sau transferat; Scara Pauling postuleaza electronegativitatea F: 4.0 si H: 1.0; Ies din scara metalele; ex Fr: 0.7. • Potential de ionizare: proces energetic ce refera formarea cationului: X + I.P. → X+ + 1e-; exista si potentiale de ionizare suplimentare (ex. X+ +I.P.2 → X2+ + 1e-

7. Tendinte periodice • Refera schimbarea proprietatilor atomilor care au loc in la deplasarea in interiorul grupelor si perioadelor • In perioada de la stanga la dreapta: I.P., E.A., electronegativitatea cresc; Dimensiunea (raza) scade; • In grupa de sus in jos: I.P., E.A., electronegativitatea scad; Dimensiunea (raza) creste; • Factori de stabilitate – electroni cedati sau primiti de atomi in procesul de formare de legaturi chimice cu scopul de a creste stabilitatea prin legatura: • Tendinta de a ajunge la configuratia electronica a unui gaz nobil; • Tendinta de a pierde toti electronii de valenta (uneori in special cei de pe subnivelul p); • Tendinta de a mentine: Ocupati, jumatate ocupati si neocupati seturile de orbitali

8. Raspandirea elementelor • Clarck: Procentul cu care un element participă în compoziţia scoarţei terestre se numeşte clarck, după numele geochimistului american F. W. Clarcke. • Ştiinţa care se ocupă cu răspândirea elementelor cu formarea şi compoziţia mineralelor se numeşte geochimie.

9. Răspândirea elementelor in scoarţă În scoarţa terestră 15 elemente, majoritatea de la începutul sistemului periodic, cu Z mic, formează aproximativ 99.8%, pe când restul elementelor abia însumează 0.52%. Cele mai răspândite elemente din scoarţă sunt oxigenul, siliciul şi aluminiul, care reprezintă peste 82%.

10. Raspandirea elementelor in atmosfera • Învelişul gazos din imediata vecinătate a Pământului este atmosfera. Atmosfera este formată mai ales din azot (78%) şi oxigen (21%), alături de alte elemente în cantităţi foarte mici.

11. Minereuri

12. Hidrogenul

14. configuraţia 1s1 şi stabilitatea la ionizare fac ca hidrogenul să formeze în majoritatea combinaţiilor legături covalente. • Ionii H+ şi :H- sunt instabili - chimic se traduce prin a afirma că sunt foarte reactivi • Astfel, din cauza câmpului electrostatic extrem de intens generat în jurul, său protonul nu poate exista singur în aceeaşi soluţie cu moleculele polare, sau specii ce se pot polariza, reacţionând instantaneu. • In apă, ionul H+ se stabilizează devenind ionul hidroniu, notat H3O+, iar în amoniac devine ionul amoniu, NH4+, legătura coordinativă datorându-se unei perechi de electroni neparticipanţi. • Clasic: H+ + H2O→H3O+,ΔH= -1093 kJ·mol-1 • In realitate există mai multe specii hidroniu ce conţin 3, 4, ..., 12 molecule de apă legate împreună, cea mai probabilă fiind: (H2O)4H+, dar pentru simplitate toate aceste specii se notează simplificat H3O+

15. Hidrogenul are trei izotopi purtând nume distincte: protiul, deuteriul şi tritiul respectiv: 11H, 12H (notat D) şi 13H (notat T). Evident masa deuteriului este de două ori masa protiului iar a tritiului de trei ori masa acestuia. 99.985% din hidrogenul scoarţei terestre este reprezentat de protiu şi doar 0.015% este deuteriu. Acesta este motivul pentru care masa atomică hidrogenului este fracţionară (1.008). Izotopul natural cel mai greu - tritiul - este β- radioactiv, având un timp de înjumătăţire T1/2 = 12.26 ani, trecând prin dezintegrare în heliu. De aceea poate fi utilizat fără pericol în calitate de trasor radioactiv, pentru că face posibilă urmărirea manierei în care are loc o succesiune complicată de reacţii sau etape tehnologice în care este implicat şi hidrogenul.

16. Obtinerea hidrogenului • O primă cale pleacă de la hidrocarburi cu masă moleculară joasă. În procesele industriale de rafinare a benzinelor, hidrogenul rezultă ca produs secundar. Astfel în procesul de sinteză a octanului, C8H18, pornindu-se de la molecule mai mici se obţine şi hidrogen: 2C2H6 + C4H8 C8H18 + H2 • Un alt procedeu, în care sunt implicate de asemenea hidrocarburi, este cracarea - o tehnologie de transformare a moleculelor de hidrocarburi mari în molecule mai mici - rezultând atât hidrogen cât şi molecule de hidrocarburi nesaturate. De exemplu: C12H26 C5H10 + C4H8 + C3H6 + H2

17. Alte metode de obţinere a hidrogenului utilizează, pe lângă hidrocarburi, vapori de apă şi catalizatori. Unul dintre aceste procedee este reformarea catalitică. Astfel, dacă se utilizează metan şi vapori de apă rezultă monoxid de carbon şi hidrogen: CH4 + H2O  CO + 3H2 • Produsul (amestecul CO + H2) este cunoscut şi sub numele de gaz de sinteză întrucât se poate folosi ca materie primă într-o serie de sinteze industriale, ca de exemplu în cea a alcoolului metilic. Printr-o a doua reacţie catalitică oxidul de carbon se poate converti cu vapori de apă, în dioxid de carbon şi hidrogen - fenomenul fiind cunoscut sub numele de reacţia gazului de apă: CO + H2OFe/Cu→500°CCO2 + H2 Fe/Cu - fier activat cu cupru.

18. Proprietăţi chimice ale hidrogenului. Reacţii cu nemetale

19. Proprietăţi chimice ale hidrogenului. Reacţii cu metale Cu restul metalelor nu formează combinaţii chimice însă dau, ca urmare a unei interacţiuni specificehidruri metalice sau interstiţiale, asemănătoare aliajelor

20. Caracterul reducător al hidrogenului • Cu foarte multe combinaţii, inclusiv organice, hidrogenul prezintă un caracter reducător, în principiu asemănător celui din reacţia cu nemetalele (oxidanţi). Pe baza acestui caracter reducător, hidrogenul se utilizează în extracţia hidro-metalurgică a cuprului sau a altor metale: Cu2+(aq) + H2(g) = Cu(s) + 2H+(aq) • Astfel, după ce cuprul, provenit din minereu, este transformat în sulfat de cupru, prin barbotare de hidrogen se poate separa cuprul metalic. Cam 1/3 din tot hidrogenul fabricat industrial este utilizat pentru astfel de reduceri. Condiţia necesară pentru a fi posibilă o astfel de reducere este ca potenţialul redox al metalului (ε°) să fie pozitiv. • De asemenea, un mare număr de oxizi se poate reduce cu hidrogen la metal, evident la o temperatură ridicată, servind la obţinerea acestora. De exemplu, trioxidul de wolfram se poate reduce la metal:WO3 + 3H2 W + 3H2O

22. Pe de altă parte o mare cantitate de hidrogen este utilizată în industria alimentară pentru hidrogenarea uleiurilor vegetale, acestea având o legătură dublă izolată în interiorul unui lanţ saturat, R, dintr-un acid gras (R-COOH): H2 + …-CH2-CH= CH-CH2- ……-CH2-CH2 – CH2 -CH2-··· • Procesul este de asemenea o reducere. În urma acestui tratament uleiurile (grăsimile lichide), ce conţin legături duble (fig.2.1.4), devin grăsimi solide (margarina) din cauza faptului că, împachetându-se mai bine, interacţiunile catenelor (moleculelor) se intensifică • Hidrogenul este folosit în practica industrială datorită reacţiilor de hidrogenare catalitică dintre care se disting ca importanţă hidrogenările azotului, oxidului de carbon şi uleiurilor naturale: • azotului (procedeul Haber); • oxidului de carbon: CO + 2H2→CH3OH (metanol); • uleiurilor nesaturate cu formare de catene hidrocarbonate saturate (aplicată în obţinerea margarinei). • Toate reacţiile amintite se petrec catalitic în condiţii energice.

23. Oxigenul • Oxigenul este primul element al grupei 16 având configuraţia electronică 2s22p4; este al doilea element, din punct de vedere al electronegativităţii, după fluor • Oxigenul este elementul cel mai răspândit în natură (46.59%) atât în aer în stare liberă (20.9% volum), în apă (88.89%) şi în scoarţa terestră intrand în compoziţia majorităţii rocilor şi mineralelor (46.6%). • Existenţa oxigenului a făcut posibilă apariţia formelor superioare ale vieţii pe pământ. Oceanele acoperă trei sferturi din suprafaţa Pământului. În scoarţă oxigenul se găseşte mai ales sub formă de oxo-săruri – silicaţi şi alumino-silicaţi, carbonaţi, sulfaţi, nitraţi, şi sub formă de oxizi. • Oxigenul are 3 izotopi: 16O (99.759%), 17O (0.0374%), 18O (0.239%). Prin distilarea fracţionată a apei se pot concentra până la 97% atomice în cazul 18O sau 4% atomice de 17O. Izotopul 18O foloseşte ca trasor în studiul mecanismelor de reacţie ale compuşilor cu oxigen. 17O are spin nuclear şi se poate utiliza în studii de rezonanţă, de exemplu pentru a face distincţie între apa din complecşi, de exemplu:Co(NH3)5∙H2O, şi apa ca solvent.

24. Stări alotropice. Oxigenul are două stări alotropice: O2 – dioxigen, şi O3 – trioxigen sau ozon. • Reacţia de formare a O3 din O2 este de asemenea endotermă iar inversul acesteia, firesc este una exotemă: 3O2 → 2O3 ΔH = +8.1 kJ·mol-1 2O3 → 3O2 ΔH = -142 kJ·mol-1 • Se mai poate forma O3 şi prin disocierea termică a O2 peste 1500°C, când O2 disociază în 2 atomi de O care cu O2 dau O3. • Acţiunea radiaţiilor ultraviolete (UV) asupra O2 produce urme de O3 în atmosfera superioară (stratosferă). Concentraţia maximă de ozon în stratosferă se află la altitudinea de ~25 km. Prezenţa ozonului în atmosfera superioară este de importanţă vitală pentru protejarea scoarţei terestre de expunere excesivă la radiaţii UV.

25. Metode de obţinere a O2 Industrial • Distilarea fracţionată a aerului lichid.O2 are p.f. = -182.9°C iar N2 are p.f. = -195.7°C, astfel încât se pot separa destul de uşor. Oxigenul se îmbuteliază în tuburi de oţel la presiuni de 150 atm, care se pot astfel transporta şi utiliza în multe domenii. • Electroliza apei acidulate sau alcalinizate, de exemplu soluţii de NaOH 15-20%, folosind catod de Fe şi anod de grafit. La catod se separă H2 iar la anod O2. În laborator • Se poate obţine O2 în cantităţi mici prin descompunerea termică a unor combinaţii: • - oxizi:2HgO → O2 + 2Hg, 3MnO2 → O2 + Mn3O4 • - peroxizi:2BaO2 → O2 + 2BaO • - săruri:KClO3→3/2O2 + KCl, 2KMnO4 → O2 + MnO2 + K2MnO4 • O altă cale de obţinere este utilizarea unor reacţii redox: 4MnO4- + 12H+ → 5O2 + 4Mn2+ + 6H2O

26. Specii ionomoleculare ale oxigenului

27. Arderi • Unele elemente reacţionează energic cu oxigenul cu degajare mare de căldură şi lumină (arderi vii). Aceste reacţii sunt şi mai violente în O2 curat decât în aer. Dintre nemetale, fosforul, carbonul şi sulful ard uşor în O2, iar dintre metale, Mg, Al, Fe (aduse la incandescenţă). • Arderea cărbunilor fosili şi a hidrocarburilor constituie principala sursă de căldură şi indirect de energie a civilizaţiei umane. • Arderea unui amestec de H2 sau hidrocarburi cu O2 sau aer este o reacţie explozivă (mecanismul este de reacţie în lanţ, prin atomi şi radicali liberi, cu o fază de iniţiere prin scânteie sau flacără).

28. oxidarea halogenurilor la halogen elementar: SiCl4 + O2 = 2Cl2 + SiO2 MgCl2 + O2 = Cl2 + 2MgO 2AlBr3 + 3/2O2 = 3Br2 + Al2O3 • oxidarea sulfurilor (prăjirea), importantă în metalurgie: 2FeS + 7/2O2 = Fe2O3 + 2SO2 ZnS + 3/2O2 = ZnO + SO2 • oxidarea unor oxizi inferiori: CO +1/2O2 = CO2 2FeO + 1/2O2 = Fe2O3 SO2 + 1/2O2 → SO3 (în prezenţă de catalizator) NO +1/2O2 = NO2 • oxidarea hidrurilor covalente (ale nemetalelor) 2HX + 1/2O2 → X2 + H2O, X = Cl, Br, I SH2 + 1/2O2 → S + H2O 2NH3 + 3/2O2 → N2 +3H2O CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

29. Astăzi se admite că sunt posibile mai multe reacţii în soluţie apoasă: O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O ε0 = +1.229 V O2 + 2H2O +4e- = 4OH- ε0 = +0.401 V O2 + 2H+ + 2e- = H2O2 ε0 = +0.682 V O2 + H2O + 2e- = OH- + HO2-ε0 = -0.076 V

30. Biochimia oxigenului • Existenţa oxigenului în atmosfera terestră este esenţială pentru viaţa de pe Pământ. Cea mai mare parte a oxigenului din atmosferă este produs în procesul defotosinteză de către plantele verzi, în care clorofila foloseşte energia solară, sintetizând zaharuri. Procesul se numeşte asimilaţie clorofiliană: 6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2 • Aceasta este o reacţie endotermă care poate avea loc numai în prezenţa luminii solare, unica sursă de energie care întreţine viaţa pe pământ. Vieţuitoarele consumă oxigenul din atmosferă, în procesul de respiraţie, cu eliminare de CO2: C6H12O6 + 6O2→6CO2 + 6H2O

31. Oxizi • Oxizi ionici, Oxizi covalent – ionici, Oxizi covalenţi • Ionici: • Elementele din grupele 1 şi 2 formează oxizi cu legături predominantionice • Metalele blocului d şi f, de regulă în stări inferioare de oxidare, formează de asemenea oxizi ionici, având tot un caracter bazic • Aceşti oxizii cristalizează în reţele ionice, compuse din ioni O2- şi cationii metalelor respective • Ionul O2- există numai în stare solidă, iar în prezenţa apei hidrolizează:O2- + H2O = 2OH-

32. Covalenţi: • sunt oxizii nemetalelor şi au caracteracid • aceştia sunt formaţi în general din molecule covalente simple, de exemplu CO, CO2, NO, NO2, SO2, SO3 • Oxizii cu caracter covalent formează şi unele metale tranziţionale în trepte superioare de oxidare • Cei solubili dau cu apa acizi (sunt deci anhidride de acizi):SO2 + H2O = H2SO3 • Cei insolubili reacţionează cu bazele formând săruri ale acizilor corespunzători: Sb2O5 + 2OH- + 5H2O = 2[Sb(OH)6]- • Covalent-ionici: • Sunt formati cu restul elementelor • Au proprietati intermediare (amfoteri) Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O Al2O3 + 2OH- + 3H2O = 2[Al(OH)4]-

33. Structura cuartului • Face parte din familia Oxizilor cu oxigen dicoordinat. Aceşti oxizi, de formulă generală R2O, au molecule unghiulare. Unghiul format de cele două legături R-O depinde de natura atomului R. De exemplu, unghiul se măreşte în ordinea: H2O < (CH3)2O < Si-O-Si (în cuarţ).

34. Spinelul • MgAl2O4- grupa spinelilor - MIIMIII2O4 MIII = Al, FeIII, CoIII,CrIII, MnIII, Ga; MII = Mg, Fe, Co, Ni, Zn, Cd, Cu

35. Perovskit • CaTiO3 – grupa perovskiţilor MIIMIVO3, MIV: Ti, Zr, Hf; MII: Ca, Sr, Ba, Zn MIMVO3, MV: Nb, Ta; MI: Li, Na, K MIIMVO6, MV: Nb, Ta;MII: Ca, Sr, Ba

36. Bronzurile • categorie de compuşi ne-stoechiometrici cu structură perovskitică de formulă generală: AxBO3 unde B: W, Mo, Nb, Ta, V şi A: Li, Na, K. • Structura bronzurilor de wolfram:

37. Apa – proprietati fizice

38. Apa – proprietati chimice

39. Water properties: pH • No, you don't often hear your local news broadcaster say "Folks, today's pH value of Dryville Creek is 6.3"! But pH is an important measurement of water. Maybe for a science project you have taken the pH of water samples in your chemistry class ... and here at the U.S. Geological Survey we take a pH measurement whenever water is studied. Not only does the pH of a stream affect organisms living in the water, a changing pH in a stream can be an indicator of increasing pollution or some other environmental factor. • As this diagram shows, pH ranges from 0 to 14, with 7 being neutral. pHs less than 7 are acidic while pHs greater than 7 are alkaline (basic). You can see that acid rain can be very acidic, and it can affect the environment in a negative way.