Proprietatile atomilor

Proprietăţile atomilor

Raza atomică

Razele atomilor sunt de ordinul a 10^-10 m.Razele atomilor consideraţi sferici cresc în grupă de sus în jos, ca urmare a creşterii numărului de straturi electronice; în perioadă scad de la stânga la dreapta, consecinţă a creşterii forţei atractive a nucleului.

Masa atomică

      Masa atomului este dată în principal de masa nucleului, adică suma maselor protonilor şi neutronilor. Deoarece valoarea acesteia exprimată în kg este foarte mică se utilizează unitatea atomică de masă u.a.m., egală cu o bună aproximaţie cu masa unui proton sau a unui neutron şi definită exact ca fiind a 12-a parte din masa izotopului . 1 u.a.m.= 1.66*10^-27kg.
Masa atomilor exprimată în unităţi atomice de masă se numeşte masa atomică relativă.
      În natură, la acelaşi număr atomic Z există mai multe specii atomice, denumite izotopi, care se diferenţiază între ele prin masa atomică, deci prin numărul de neutroni.
      Masa atomică relativă, ce se găseşte tabelată, reprezintă media ponderată a maselor acestor izotopi.

Potenţialul de ionizare

Energia necesară pentru îndepărtarea unui electron de la un atom izolat se numeşte potenţial de ionizare I. Această definiţie a fost generalizată şi poate fi aplicată şi în cazul ionilor (atomi pentru care numarul electronilor nu este egal cu Z), procesele desfăşurându-se conform reacţiilor:

potenţial de ionizare de ordinul I 

potenţial de ionizare de ordinul II 

potenţial de ionizare de ordinul III 

Potenţialul de ionizare I se exprimă în eV sau kJ/mol.
Potenţialul de ionizare creşte cu ordinul său şi uneori în salturi, după cum se observă în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Potenţialele de ionizare (eV), corespunzătoare unor elemente din grupele I, II, III, perioada III.



Creşterea în salturi a potenţialului de ionizare are loc pentru ionii Na+, Mg2+, Al3+, ceea ce explică tendinţa respectivelor elemente de a forma ioni cu sarcina pozitivă nu mai mare de 1, 2 respectiv 3.
Potenţialul de ionizare creşte în perioadă de la stânga la dreapta odată cu creşterea sarcinii pozitive a nucleului, fiind redus pentru metalele alcaline şi mare pentru elementele din grupele VII şi VIII.
Se consideră de multe ori mai util potenţialul de ionizare cumulat pentru obţinerea unor ioni reali plecând de la atomi.
Este suficienta cunoasterea potentialul de ionizare pentru aprecierea tendintei atomilor de a forma ioni pozitivi sau negativi?

Afinitatea pentru electroni

Afinitatea pentru electroni reprezintă energia eliberată la acceptarea unui electron de către un atom la transformarea sa într-un ion negativ.
Procesul este descris de ecuaţia: 
Afinitatea pentru electroni este maximă în valoare absolută, pentru elementele din grupele VI-VII principale şi nu a putut fi determinată direct pentru elementele din grupele I, II principale.
Afinitatea pentru electroni se exprimă în eV sau kJ/mol şi are valori negative. Afinităţile pentru electroni corespunzătoare unor elemente chimice pot fi urmărite în tabelul 1.2.

Electronegativitatea atomilor

Electronegativitatea X exprimă tendinţa atomilor de a forma ioni negativi, şi poate fi definită ca fiind diferenţa dintre energia de ionizare şi afinitatea pentru electroni:
Elementele care au tendinţă mare de a forma ioni negativi au pe lângă un potenţial mare de ionizare şi o mare afinitatea pentru electroni.
Există elemente chimice care au o energie de ionizare mare şi totuşi nu formează ioni negativi, datorită lipsei afinităţii pentru electroni - gazele rare (grupa a VIII-a principală).
În practică se utilizează curent electronegativitatea relativă  definită în raport cu electronegativitatea Li: 


Valorile electronegativităţii relative sunt între 0.70 pentru Cs şi 4.10 pentru F. Valorile electronegativităţii unor elemente chimice sunt prezentate în tabelul 1.2.



Funcţie de diferenţa între electronegativităţile atomilor aceştia se combină prin diferitele tipuri de legături chimice.

Consecinţe ale structurii atomului

Atomii se pot combina între ei rezultând combinaţii noi, acesta fiind în fapt obiectul chimiei. Numărul de electroni cu care atomul participă la formarea unei noi combinaţii se numeşte valenţă. Acest număr variază funcţie de element şi partenerul sau partenerii săi cu care formează noi combinaţii. Astfel, pentru Fe, pot exista combinaţii cu O de tipul FeO, în care valenţa Fe este II, precum şi Fe₂O₃, în care valenţa Fe este III. Pentru C există combinaţii cum este monoxidul de carbon CO, în care valenţa C este II, dar şi combinaţii în care valenţa C este IV, CO₂, de exemplu.
 Valenţa maximă a unui element este egală cu numărul grupei principale sau secundare din tabelul periodic. Regulile practice de stabilire a valenţei unui element sunt:
elementele din grupele I-IV principale au în general valenţa egala cu numărul grupei;
elementele din grupele V-VII principale au în general valenţa egala cu 8 - numărul grupei;
elementele din grupele secundare pot avea diferite valenţe.
Unele grupări de atomi pot avea de asemenea valenţă, funcţie de numărul de electroni disponibili pentru interacţie cu alţi parteneri, asa cum este prezentat în tabelul următor:



Funcţie de valenţă atomii sau grupurile de atomi pot interacţiona între ei în anumite proporţii care pot fi stabilite cu ajutorul valenţei. Numărul de electroni cu care participă la interacţie o specie trebuie să fie egal (in general) cu cel al celeilalte specii, astfel încât produsul dintre valenţa şi numărul de indivizi ai aceleiaşi specii trebuie să fie constant într-o combinaţie. În acest fel se pot stabili formulele pentru diferiţi compuşi:
Fe₂^IIIO₃^II - produsul dintre numărul de atomi de Fe (2) şi valenţa acestora (III) este 6 la fel ca în cazul O, 3 atomi cu valenţa II.
Datorită faptului că atomii interacţionează între ei în rapoarte bine stabilite, se poate defini cantitatea de substanţă care reacţionează cu 1g de H sau 8g de O ca fiind un echivalent gram. În fapt, un echivalent gram pentru un element chimic reprezintă masa unui mol (cantitatea de substanţă care conţine un acelaşi număr de atomi/combinaţii atomice sau ioni – 1g/1.66x10^-24g= numărul lui Avogadro= 6x10²³) din acel element divizată cu valenţa acestuia.
Datorită modului în care a fost definit, rezultă că un echivalent gram dintr-o substanţă va reacţiona întotdeauna cu un echivalent gram dintr-o altă substanţă – legea echivalenţilor.
Consecinţe ale structurii atomului
În cursul unei interacţii chimice, numită de acum încolo reacţie chimică, se pot schimba doar partenerii atomilor nu însă şi numărul atomilor, ceea ce constituie legea conservării numărului de atomi. Pentru a respecta această lege, la scrierea ecuatiei unei reacţii chimice, trebuie să se utilizeze coeficienţi numiţi coeficienţi stoechiometrici.
De asemenea, neglijând efectele relativiste, se poate considera că masa atomilor care intră într-o reacţie chimică – reactanţi este egală cu a celor ce au rezultat – produşi de reacţie, legea conservării masei într-o reacţie chimică.
În anumite condiţii, unii atomi se găsesc într-o formă stabilă de ioni, având o încărcatură energetică mai scăzută decât atomul de provenienţă. În apă, multe substanţe se găsesc sub formă de ioni şi nu de atomi. Unii dintre aceşti ioni pot fi extrem de dăunători pentru organismele vii, astfel încât concentraţia lor este monitorizată şi coborâtă prin diferite mijloace.  Ca exemplu, ionul Cr⁶⁺, periculos pentru om, se găseşte în ciment în cantităţi reduse şi poate ataca pielea umană dacă mortarul sau betonul este produs sau pus în operă manual; boala rezultată, o îngroşare a pielii poartă numele de “lepra zidarului” şi a determinat introducerea în legislaţie a obligativităţii ţinerii sub control a conţinutului de Cr hexavalent pentru cimentul însăcuit.
Structura învelişului electronic permite ca studiul radiaţiei absorbite/emise de atomi/ioni sau grupări de atomi să conducă la identificarea şi chiar determinarea cantitativă a speciilor datorită specificităţii  spectrului de emisie/absorbţie ca rezultat al tranziţiilor între diferitele nivele energetice – analiză spectrometrică. 

Probleme pentru autoevaluare

1.4.1. De ce nu a crezut Bohr în postulatele sale?
1.4.2. Calculaţi numărul maxim de electroni ce pot exista într-o pătură electronică.
1.4.3. Există vreo diferenţă energetică între nivelele 2s şi 2p în modelul Bohr pentru atomul de H?
1.4.4. Calculaţi masa atomică a Cl ştiind că cei doi izotopi ³⁵Cl şi ³⁷Cl se găsesc în natură în raport de aproximativ 3:1.