CUPRINS 1. Structura discontinuă a materiei ...................................................... 12 1.1. Procesualitatea cunoaşterii ştiinţifice .......................................... 12 1.1.1. Dezvoltarea continuă a teoriilor referitoare la „microcosmos” .................................................................. 12 1.1.2. Importanţa cunoaşterii fundamentului istoric ......................... al dezvoltării ştiinţei ...........................................................13 1.2. Originea noţiunii de atom ......................................................... 14 1.2.1. Primele ipoteze asupra structurii materiei ............................. 14 1.2.2. Formularea ipotezei atomiste .............................................. 15 1.2.3. Legi fundamentale ale chimiei bazate pe ipoteza atomistă....... 16 1.3. Identificarea constituenţilor atomului ......................................... 18 1.3.1. Electronul ......................................................................... 18 1.3.2. Protonul ............................................................................ 20 1.3.3. Neutronul ......................................................................... 21 1.4. Mărimi fizice şi unităţi de măsură legate de structura discontinuă a materiei .................................. 22 1.4.1. Unitatea atomică de masă................................................... 22 1.4.2. Masa atomică relativă. Masa moleculară relativă .................... 22 1.4.3. Molul. Masa molară ............................................................ 24 1.4.4. Numărul lui Avogadro ......................................................... 24 1.4.5. Volumul molar ................................................................... 25 2. Structura atomilor – tratare în modelul planetar clasic și semicuantic ....................................................................... 28 2.1. Primele modele atomice ........................................................... 28 2.1.1. Conceptul de model atomic ................................................. 28 2.1.2. Elaborarea primelor modele atomice .................................... 28 2.2. Tratarea clasică a atomilor ........................................................ 31 2.2.1. Modelul planetar clasic ........................................................ 31 2.2.2. Deficiențele modelului planetar clasic ................................... 33 2.3. Tratarea semicuantică a atomilor ............................................... 34 2.3.1. Dovezi experimentale care au impus introducerea cuantificării ................................................... 34 2.3.2. Modelul planetar semicuantic Bohr al atomului. Postulatele lui Bohr ...........................................................37 2.3.3. Calculul energiei electronilor în stările staţionare .................... 40 2.3.4. Procese care decurg cu absorbţie sau cu emisie de fotoni ........ 44 2.3.5. Modelul planetar semicuantic Bohr-Sommerfeld al atomului .... 46 8 3. Structura atomilor – tratare în modelul cuantic ................................. 48 3.1. Principii de bază în tratarea cuantică a atomului ............................... 48 3.1.1. Deficienţele modelului planetar semicuantic ........................... 48 3.1.2. Dualismul undă-corpuscul în înțelegerea comportamentului electronilor în atom ................................. 49 3.1.3. Principiul de nedeterminare al lui Heisenberg ........................ 50 3.2. Ecuaţia lui Schrödinger și consecințe ale acesteia ............................. 50 3.2.1. Ecuaţia lui Schrödinger – fundament al mecanicii cuantice ...... 50 3.2.2. Ecuaţia lui Schrödinger pentru „particula în cutie” .................. 51 3.2.3. Semnificaţia fizică a soluţiilor ecuaţiei lui Schrödinger ............. 55 3.3. Orbitalii atomici ..................................................................... 58 3.3.1. Expresiile orbitalilor atomici în coordonate sferice .................. 58 3.3.2. Numerele cuantice şi legătura lor cu orbitalii atomici .............. 62 3.3.3. Repartizarea orbitalilor atomici pe straturi şi substraturi ......... 63 3.4. Aproximaţii utilizate în descrierea atomului cu mai mulți electroni................................................................................ 66 3.4.1. Aproximaţia orbitală ........................................................... 66 3.4.2. Aproximaţia Hartree-Fock şi aproximaţia Slater ..................... 67 4. Structura electronică a atomilor diverselor elemente chimice ............... 70 4.1. Principii de ocupare cu electroni a orbitalilor atomici..........................................................................................70 4.1.1. Principiul energetic de construcţie (principiul Aufbau) ............. 70 4.1.2. Principiul de excluziune al lui Pauli ....................................... 70 4.1.3. Regula lui Hund ................................................................. 71 4.2. Ordinea energetică a orbitalilor atomici ...................................... 72 4.2.1. Ecranarea şi penetrarea – fenomene ce diferenţiază energetic orbitali din aceaşi strat ......................................... 72 4.2.2. Regula „nl” de stabilire a ordinii energetice a orbitalilor atomici .......................................................... 75 4.2.3. Metoda lui Goldanski de prezentare a ordinii energetice a orbitalilor atomici ........................................................... 77 4.2.4. Diagrame energetice de orbitali atomici. Abateri de la regula „n+l”. Inversiuni energetice ..................................... 78 4.3. Configuraţii electronice corespunzătoare stării fundamentale .............................................................. 81 4.3.1. Stabilirea configuraţiilor electronice ale atomilor în starea fundamentală ...................................................... 81 4.3.2. Stabilirea configuraţiilor electronice ale ionilor monoatomici în starea fundamentală ...................................................... 85 4.3.3. Neregularităţi în stabilirea configuraţiilor electronice ............... 87 9 5. Rolul tabelului periodic al elementelor chimice în studiul structurii substanțelor ..................................................... 90 5.1. Construcţia tabelului periodic al elementelor chimice ................... 90 5.1.1. Identificarea subnivelului în care se plasează electronul distinctiv al unui atom .......................................... 90 5.1.2. Perioade şi grupe. Blocuri ale tabelului periodic ..................... 91 5.2. Variaţia proprietăţilor elementelor în tabelul periodic ................. 94 5.2.1. Valoarea euristică a tabelului periodic ................................... 94 5.2.2. Proprietăţi periodice şi proprietăţi neperiodice ale elementelor chimice ......................................................96 5.2.3. Raza atomică .................................................................... 96 5.2.4. Energia de ionizare primară................................................. 99 5.2.5. Afinitatea pentru electron ................................................. 101 5.2.6.Caracterul electrochimic. Coeficientul de electronegativitate Mulliken . ........................ 102 6. Structura moleculelor ................................................................... 106 6.1. Molecule care prezintă un atom central .................................... 106 6.1.1. Clasificarea moleculelor cu atom central ............................. 106 6.1.2. Posibile geometrii adoptate de moleculele cu atom central ........................................... 107 6.1.3. Principiile de bază ale modelului Gillespie ............................ 110 6.2. Predicția și modelarea geometriei standard a unei molecule cu atom central ............................................. 111 6.2.1. Algoritm de atribuire a geometriei standard ........................ 111 6.2.2. Exemple de atribuire a geometriei standard ........................ 112 6.2.3. Modelarea geometriei standard .......................................... 115 6.3. Predicția și modelarea geometriei reale a unei molecule cu atom central ............................................. 119 6.3.1. Repulsia perechilor de electroni din stratul de valență.......... 119 6.3.2. Influența repulsiei asupra unghiurilor dintre legături ............ 119 6.3.3. Tipuri de molecule cu atom central și geometria claselor distincte corespunzătoare aceluiași tip................................. 120 6.3.4.Geometria reală a unor molecule uzuale cu atom central – predicție și modelare ......................................................... 128 6.3.5.Variantele de geometrie reală corespunzătoare numărului de atomi din molecula cu atom central ................... 130 6.4. Molecule care nu prezintă un atom central ................................ 133 6.4.1. Incapacitatea modelului Gillespie de a indica geometria moleculară reală a unei molecule care nu prezintă un atom central ................. 133 6.4.2. Factori care influențează geometria moleculară ................... 134 10 6.5. Simetria moleculară și consecințe directe ale acesteia ................136 6.5.1. Elemente și operații de simetrie ......................................... 136 6.5.2. Simbolurile Schœnflies pentru grupurile de simetrie ale moleculelor ....................... 137 6.5.3. Încadrarea moleculelor în grupuri de simetrie ...................... 138 6.5.4. Polaritatea moleculelor ..................................................... 140 6.5.5. Chiralitatea moleculelor .................................................... 145 7. Structura rețelelor ........................................................................ 154 7.1. Caracteristicile unei reţele cristaline ......................................... 154 7.1.1. Generalități ..................................................................... 154 7.1.2. Cele mai uzuale geometrii de rețele cristaline ...................... 155 7.2. Structura rețelelor metalice .................................................... 162 7.2.1. Exemple de rețele metalice ............................................... 162 7.2.2. Proprietăți generale ale rețelelor metalice ........................... 164 7.2.3. „Împachetare afânată” și „împachetare compactă” ............... 166 7.2.4. Numărul de coordinare caracteristic unei reţele metalice ....... 171 7.2.5. Numărul de particule care revin unei celule elementare dintr-o rețea metalică ....................................................... 173 7.2.6. Factorul de împachetare caracteristic unei reţele metalice ..... 175 7.3. Structura rețelelor ionice ........................................................ 179 7.3.1. Exemple de rețele ionice ................................................... 179 7.3.2. Proprietăți generale ale rețelelor ionice ............................... 180 7.3.3. „Regula raportului de raze” pentru o rețea ionică ................. 182 7.3.4. Raportul de combinare într-o rețea ionică ........................... 187 7.3.5. Determinarea formulei chimice a unui compus ionic pe baza studiului unei celule elementare din rețeaua acestuia ........................................................ 192 7.4. Structura rețelelor atomice ..................................................... 199 7.4.1. Exemple de rețele atomice ................................................ 199 7.4.2. Proprietăți generale ale rețelelor atomice ............................ 203 7.5. Structura rețelelor moleculare ................................................. 203 7.5.1. Exemple de rețele moleculare ............................................ 203 7.5.2. Proprietăți generale ale rețelelor moleculare ........................ 207 7.5.3. Legăturile de hidrogen ...................................................... 208 7.5.4. Legături de tip van der Waals ............................................ 211 8. Bibliografie şi web-grafie ............................................................. 213