CAIET DE PROBLEME LA CHIMIE

CAIET DE PROBLEME

LA

CHIMIE

Al studentului

Grupa

AN sCOLAR 2005-2006

1. CALCULE CU MĂRIMI sI UNITĂŢI IMPORTANTE ÎN CHIMIE

Executarea corecta a calculelor în cadrul diverselor operatii de laborator si aplicatii de chimie, presupune cunoasterea principalelor notiuni care stau la baza evaluarii cantitative a transformarilor fizico-chimice. Aceste notiuni vor fi prezentate mai jos:

substanta chimica, element chimic, compus chimic;

masa atomica; atom-gram; kiloatom-gram;

masa moleculara; molecula-gram; milimol, kilomol;

masa echivalenta sau echivalent-gram;

calcul de numar de moli sau atom-gram cunoscând masa substantei;

raportul de masa;

compozitia procentuala.

substanta chimica, element chimic, compus chimic

Substanta chimica este definita ca fiind un tip omogen de materie, cu o compozitie chimica bine definita.

Substantele chimice pot fi subîmpartite în doua categorii: substante elementare (elemente chimice) si substante compuse (compusi chimici).

Elementul chimic poate fi definit ca fiind tipul de materie care consta din atomi de acelasi fel (adica din atomi ale caror nuclee au toate aceeasi sarcina electrica).

Elementele sunt reprezentate printr-un simbol, compus dintr-o litera sau doua, de exemplu, simbolul hidrogenului este H, al oxigenului O, al clorului Cl etc. Simbolurile tuturor elementelor chimice sunt trecute în sistemul periodic al lui Mendeleev.

Elementele chimice pot fi formate din unul sau mai multi atomi. Astfel gazele rare (argonul, neonul etc.) sunt elemente monoatomice, notându-se cu Ar, Ne etc. În timp ce majoritatea gazelor obisnuite (oxigenul, clorul, azotul etc.) sunt biatomice, notându-se cu O₂, H₂, Cl₂, N₂ etc. Exista si elemente poliatomice, ca de exemplu fosforul, P₄, sulful, S₈ etc.

Gradul de asociere al atomilor într-un element poate sa varieze în functie de conditiile în care se afla elementul respectiv. De exemplu, în intervalul de temperatura 20 - 1000⁰C, sulful octoatomic S₈ trece succesiv, pe masura cresterii temperaturii, în S₆, S₄ si S₂. De aceea, trebuie retinut faptul ca denumirea de element biatomic, triatomic, tetratomic etc. se refera la starea elementului respectiv în conditii obisnuite de temperatura si presiune.

Compusul chimic poate fi definit ca fiind substanta rezultata prin combinarea, în anumite proportii, a doua sau mai multe elemente chimice. Compusul chimic rezultat are proprietati diferite de ale elementelor care îl compun.

Orice compus chimic se reprezinta printr-o formula chimica, care indica numarul de atomi ai diferitelor elemente care intra în compozitia sa. De exemplu, formula acidului azotic HNO₃, a oxidului de magneziu MgO, a clorurii de zinc ZnCl₂ etc.

Moleculele chimice rezulta prin unirea (în anumite conditii si dupa anumite reguli) a doi sau mai multi atomi. Atomii pot fi de acelasi fel sau diferiti. În primul caz se obtin molecule de substante elementare, ca de exemplu Cl₂, O₂, P₄ etc, în timp ce în al doilea caz se obtin molecule de substante compuse cum sunt MgO, ZnCl₂, SO₂, H₂O etc.

masa atomica, atom-gram, kiloatom-gram

Masa atomica este o marime relativa care arata de câte ori atomul unui element este mai mare decât unitatea atomica de masa (u.a.m). Drept unitate atomica de masa s-a ales daltonul, care reprezinta a douasprezecea parte din masa atomului de carbon. Rezulta ca masa atomica este un numar fara dimensiuni. De exemplu, masa atomica a hidrogenului este 1,008, a oxigenului 16, a clorului 35,453 etc. Masele atomice se noteaza cu litera A urmata de indicele care indica substanta.

Exemple:

A_H = 1, A_C = 12, A_Fe = 56

Atomul-gram (atom-g) este o marime dimensionala ce reprezinta cantitatea în grame dintr-un element, numeric egala cu masa lui atomica. Se calculeaza exprimând masa atomica în g.

Exemple:

1 atom-g O = 16g, 1 atom-g Al = 27g

Kiloatom-gram (katom-g) este o marime derivata: 1 Katom-g = 10³ atom-g, si se defineste ca marime dimensionala ce reprezinta cantitatea în kg dintr-un element, numeric egala cu masa lui atomica. Se calculeaza exprimând masa atomica în kg.

Exemple:

1 katom-g Cu = 64 kg, 1 katom-g C = 12 Kg

masa moleculara, molecula-gram, milimol, kilomol

Masa moleculara, M, este o marime relativa ce arata de câte ori molecula unui e 555j92f lement poliatomic sau molecula unei combinatii este mai mare decât u.m.a.

Masa moleculara reprezinta suma maselor atomice ale elementelor componente (tinând cont de coeficientii stoechiometrici). În calcule masele moleculare se rotunjesc.

Exemple:

M_HCl = 1 + 35,5 = 36,5 M_NaOH = 23 + 16 + 1 = 40

Molecula-gram, mol, este cantitatea în grame dintr-o substanta numeric egala cu masa moleculara a substantei.

Molul reprezinta cantitatea în grame dintr-o substanta egala cu suma maselor absolute a N particule, reprezentate printr-o formula chimica.

Se calculeaza exprimând masa moleculara în g.

Termenul de mol se aplica la:

substante cu formule moleculare cunoscute: H₂O, HCl etc.;

substante ce nu formeaza molecule: NaCl, CaCl₂ etc.;

la atomii liberi: H, Cl etc.;

la ioni: Na⁺, Cl^- etc.;

la particule subatomice: e^-.

Exemple:

1 mol O₂ = 32 g, 1 mol CaO = 56g

Milimol, mmol, este o marime derivata:

1 mmol = 10^-3 mol

si reprezinta cantitatea în mg dintr-o substanta, numeric egala cu masa ei moleculara. Se calculeaza exprimând masa moleculara în mg.

Exemple:

1 mmol F₂ = 38 mg, 1 mmol H₃PO₄ = 98 mg

Kilomol, kmol, este o marime derivata:

1 kmol = 10³ mol

si reprezinta cantitatea în kg dintr-o substanta, numeric egala cu masa ei moleculara. Se calculeaza exprimând masa moleculara în kg.

Exemple:

1 kmol Cl₂ = 71 kg, 1 kmol HNO₃ = 63 kg

masa echivalenta sau echivalent-gram

Echivalent chimic (gram) al unui element, este acea cantitate, exprimata în grame, din acest element care se combina cu 1 g de hidrogen sau 8 g oxigen.

În sensul teoriei atomice, echivalentii chimici reprezinta mase relative ale atomilor care se combina, raportate la masa atomului de hidrogen (cel mai usor atom).

Echivalentul gram:

la elemente se calculeaza prin împartirea masei atomice la valenta.

la saruri se calculeaza împartind masa moleculara la produsul dintre valenta metalului si numarul atomilor de metal;

la oxizi se obtine împartind masa moleculara a oxidului la produsul dintre numarul atomilor de metal sau nemetal si valenta acestuia;

la acizi si baze, se calculeaza împartind masa moleculara la numarul atomilor de hidrogen care se pot înlocui prin metale, respectiv numarul gruparilor oxidril, (OH).

Exemple:

₌ g echivalent

= g echivalent

g echivalent

g echivalent

g echivalent

Calcul de numar de moli sau de atom-gram cunoscând masa substantei

Numar de moli se calculeaza împartind masa substantei, exprimata în grame, la masa ei molara.

Numar de atomi-gram, se calculeaza împartind masa substantei elementare exprimata în grame la masa atomica a elementului.

Raportul de masa

- reprezinta raportul cantitativ al elementelor care compun unitatea de structura a substantei chimice compuse.

Compozitia procentuala

A calcula compozitia procentuala a unei substante compuse înseamna a calcula % în care sunt continute elementele respective în unitatea de structura.

PROBLEME REZOLVATE:

Problema nr.1

Câti atom-g reprezinta: 60 g C; 0,4 katom-g N?

60 g C = 60 : 12 = 5 atom-g C

0,4 katom-g N = 0,4 × 10³ = 400 atom-g N

Problema nr.2

Câte grame reprezinta: 8 mol H₂; 500 mmol CaO; 0,02 kmol H₂SO₄?

8 mol H₂ = 8 × 2 = 16 g H₂

500 mmol CaO = 500 × 55 × 10^-3 = 27,5 g CaO

0,02 kmol H₂SO₄ = 0,02 × 10³ × 98 = 196 g H₂SO₄

Problema nr.3

Câti moli reprezinta: 4 g CuSO₄; 300 mmol KOH; 0,4 kmol HNO₃?

4 g CuSO₄ = 4 : 160 = 0,025 mol CuSO₄

300 mmol KOH = 300 × 10^-3 = 0,3 mol KOH

0,4 kmol HNO₃ = 0,4 × 10³ = 400 mol HNO₃

Problema nr.4

Sa se calculeze masa molara pentru: H₂O, CaCO₃?

= (1 × 2) + 16 = 18 g H₂O

= 40 + 12 + (3 × 16) =100 g CaCO₃

Problema nr. 5

Sa se calculeze raportul de masa al apei.

= (2 × 1) + 16 = 18

H : O = 2 : 16 = 1 : 8

Problema nr. 6

Sa se calculeze raportul de masa pentru CaCO₃.

= 40 + 12 + (3 × 16) = 100

Ca : C : O = 40 : 12 : 48 = 10 : 3 : 12

Problema nr. 7

Sa se calculeze compozitia procentuala a apei.

= (2 × 1) + 16 = 18

18 g H₂O ............................ 2 g H

100 g H₂O ............................ x

x = 11,11% H

y = 100 - x = 100 - 11,11 = 88,89 % O

Problema nr.8

Sa se calculeze masa de sulf existenta în 680 g de CaSO₄ anhidru.

= 40 + 32 + (16 × 4) = 136

136 g CaSO₄ .......... ..... ...... ...... 32 g S

680 g CaSO₄ .......... ..... ...... ...... x

x = 160 g S

Problema nr.9

Determinati formula unei substante care contine : 43,39% Na, 11,32% C si 45,28% O.

Na_xC_yO_z

x = 43,39 : 23 = 1,89 atom-g Na 1,89 : 0,94 = 2,01

y = 11,32 : 12 = 0,94 atom-g C 0,94 : 0,94 = 1

z = 45,28 : 16 = 2,83 atom-g O 2,83 : 0,94 = 3,01

x : y : z = 2 : 1 : 3

Na_xC_yO_z = Na₂CO₃

PROBLEME PROPUSE:

1. Câte grame reprezinta:

10 atom-g Ca; 5 atom-g Al; 2 atom-g S; 0,5 katom-g O; 0,2 katom-g C; 0,1 katom-g Fe?

2. Câti atom-g reprezinta:

70 g N; 80 g O; 3,55 g Cl; 0,5 katom-g Cu; 0,4 katom-g Ag; 0,3 katom-g Au?

3. Câti katom-g reprezinta:

200 g H; 420 g O; 660 g N; 50 atom-g Zn; 40 atom-g Cd; 30 atom-g Hg?

4. Câti mol reprezinta:

6,2 g C₂H₂; 30 mmol Fe₂O₃; 0,6 kmol CO₂?

5. Câte kg reprezinta:

0,4 kmol Ca(OH)₂; 5 kmol CaCO₃; 0,06 kmol HNO₃?

6. Câti kmol reprezinta:

1,2 kg FeS₂; 3,4 kg Fe₂O₃; 0,23 kg C₂H₅OH?

Calculati masa molara pentru:

Ca₃(PO₄)₂; Na₂S; CaCl₂; AlCl₃; Na₃PO₄; NH₄H₂PO₄; Al₂(SO₄)₃?

Calculati echivalentul-gram pentru:

Na; Al; SO₂; Al₂O₃; HCl; H₃PO₄; Ca(OH)₂; Al(OH)₃; CuSO₄; Al₂(SO₄)₃; HNO₃; KOH; Ba(OH)₂; Fe(OH)₃; MgO; Fe₂O₃.

Sa se calculeze raportul de masa al elementelor care compun CaCO₃.

Sa se calculeze raportul de masa al elementelor care compun CaO.

11. Sa se calculeze raportul de masa al elementelor care compun Al₂(SO₄)₃.

Sa se calculeze compozitia procentuala a Ca₃(PO₄)₂.

13. Sa se calculeze compozitia procentuala a Na₂SO₄.

14.Sa se calculeze compozitia procentuala a Al₂(SO₄)₃.

Sa se afle compozitia procentuala a unui aliaj format din 140 g argint si 260 g aur.

16. La analiza a 2 g aliaj Cu-Au-Ag s-a gasit 0,4Au; 1,2 gCu si 0,02 g impuritati. Determinati compozitia procentuala a aliajului.

17. Determinati masa fierului existent în 111,2 kg calaican (FeSO₄ ∙ 7 H₂O).

18. Determinati masa fosfatului monoacid de amoniu în care se gasesc 4,5 kg hidrogen.

19. Aflati formula substantei care contine: 28,67 % K; 1,47 % H si 22,8 % P.

Sa se afle formula substantei al carui raport de masa este: H : S : O = 1 : 16 : 24.

Determinati formula chimica a substantei al carui raport de masa este:

Ca : H : P : O = 20 : 2 : 31 : 64

Determinati formulele combinatiilor cu compozitia procentuala:

a). 43,09% K; 39,21 % Cl; 17,7 % O

b). 36,67 % K; 33,33%; 30 % O

c). 31,8 % K; 28,9 % Cl; 39,3 % O

d). 28 % K; 25,7 % Cl; 46,3 % O

23. Determinati formulele substantelor în care raportul de masa al elementelor componente este:

a). Ca : S : O = 5 : 4 : 6

b). Ca : S : O = 5 : 4 : 8

c). Ca : P : O = 60 : 31 : 48

d). Ca : P : O = 60 : 31 : 64

e). Ca : H : P : O = 40 : 1 : 31 : 64

2. CONFIGURAŢIA ELECTRONICĂ A ATOMILOR

Marimile caracteristice nucleului sunt:

Z: numar de ordine, numar atomic, numar de protoni ( = numarul de electroni);

A: numar de masa, masa atomica, suma de nucleoni;

N = A - Z : numar de neutroni:

N - Z : numar izotopic.

izotopi = acelasi Z

izobari = acelasi A

izotoni = acelasi N

Reguli de ocupare cu electroni a orbitalilor atomici

a). Ocuparea cu electroni se face în ordinea cresterii energiei;

b). Principiul excluziunii lui Pauli

Conform acestui principiu, într-un atom nu pot exista doi sau mai multi electroni care sa aiba toate cele patru numere cuantice (n, l, m, m_s) identice. Toti electronii unui atom trebuie sa difere între ei cel putin prin unul din cele patru numere cuantice.

c). Regula lui Hund - electronii se repartizeaza în numarul maxim de orbitali de acelasi fel care le sta la dispozitie. Cu alte cuvinte, mai întâi se ocupa pe rând fiecare orbital cu câte un electron si numai dupa aceea cu cel de-al doilea.

Succesiunea de ocupare a nivelelor si subnivelelor energetice cu electroni

a). Regula sumei n + l

Conform acestei reguli valoarea crescatoare a paturilor si nivelelor energetice este data de valoarea crescatoare a sumei n + l. Daca doua sau mai multe nivele au aceeasi valoare a sumei n + l, nivelele corespunzatoare numarului cuantic n cel mai mic are energia mai mica.

b). Tabla de sah Goldanski

c). Cu ajutorul sistemului periodic.

Orbitalii de tip:

s = 2 e^-; p = 6 e^-; d = 10e^-; f = 14 e^-;

Exemple:

Pentru Z = 11 sa se scrie configuratia electronica.

Z = 11 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Numarul din fata ultimului orbital de tip s ne da numarul perioadei, iar ultimul orbital ne da numarul grupei.

În cazul Z = 11 avem perioada a 3-a, grupa I-A.

Particule emise din nuclee radioactive

Partea centrala a atomului în care este acumulata aproape toata masa atomului are dimensiuni de ordinul a 10^{-15 m în comparatie cu dimensiunile atomilor care sunt de ordinul de marime a 10-10}m.

În nucleu exista protoni - particule cu sarcina electrica pozitiva si neutroni - particule neutre.

Un nucleu (sau denumit mai general nuclid) oarecare este exprimat simbolic sub forma

, în care s-a notat cu X simbolul atomului din care face parte nucleul respectiv; cu Z s-a notat numarul de protoni sau numarul de sarcini electrice elementare a nucleului, iar cu A s-a notat numarul de nucleoni sau masa aproximativa a nucleului exprimata în unitati atomice de masa. Numarul de neutroni se obtine scazând din numarul de nucleoni, numarul de protoni. Deci numarul de neutroni este A - Z.

Doi nuclizi X si Y sunt izotopi daca au acelasi numar de protoni sau altfel spus daca atomii corespunzatori ocupa acelasi loc în sistemul periodic al elementelor. Acesti nuclizi izotopi se exprima simbolic: ; .

Doi nuclizi X si Y sunt izobari daca au acelasi numar de nucleoni sau daca atomii au aceeasi masa. Acesti nuclizi izobari se exprima simbolic sub forma: ; .

Doi nuclizi X si Y sunt izotoni daca au acelasi numar de neutroni. Acesti nuclizi izotoni se exprima simbolic sub forma: ; , cu conditia: A - Z = - .

Configuratia unui nuclid instabil se modifica prin dezintegrare, conducând la o alta configuratie care poate fi stabila, sau de asemenea instabila.

În functie de particula emisa din nucleu, exista diferite tipuri de dezintegrari:

a). Dezintegrarea α

Procesul în care un nucleu de masa A si sarcina Z emite în mod spontan particule α ( sau ) cu eliberarea unei cantitati de energie sub forma energiei cinetice a particulelor α, se numeste dezintegrare α.

Schematic procesul de dezintegrare α se reprezinta astfel:

+

În urma dezintegrarii se obtine un nou nucleu al unui atom situat în sistemul periodic cu doua casute mai la stânga.

b). Dezintegrarea β

Nucleele radioactive β sunt cele mai numeroase. Acest tip de dezintegrare apare natural la nucleele cu Z ≥ 81.

Dezintegrarea radioactiva β:

+

PROBLEME REZOLVATE

Problema nr.1

Se da nuclidul . Sa se scrie marimile caracteristice nucleului, valori, semnificatii. Sa se scrie câte 2 izotopi, 2 izobari si 2 izotoni.

Z = 56 - numar de ordine, numar de protoni, numar atomic;

A = 137 - numar de masa, masa atomica, ;

A - Z = 81 - numar de n⁰;

N - Z = 25 - numar izotopic.

izotopi Z = 56

izobari A = 137

izotoni N = 81

Problema nr.2

Grupati urmatorii nuclizi pe specii caracteristice:

Izotopi:

Izobari:

Izotoni:

Problema nr.3

Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 6 particule α si 4 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

6 + 4 +

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁴

perioada a 6-a grupa VI-A, metal

PROBLEME PROPUSE

1. Sa se stabileasca pozitia în sistemul periodic si caracterul chimic al elementelor cu Z: 12, 16, 24, 26, 29, 32, 36, 47, 64, 83.

2. Sa se scrie configuratia elementului E₁ din perioada a 5-a, grupa V-A si a elementului E₂ din perioada a 4-a, grupa V-A.

Sa se stabileasca caracterul chimic al elementelor respective.

Care este valoarea Z₁ si Z₂ pentru cele doua elemente?

stiind ca A₁ = 122 si A₂ = 75 sa se calculeze marimile caracteristice nucleelor respective si sa se scrie un izotop pentru E₁ si un izobar pentru E₂.

3. O specie atomica are Z = 16 si A = 32.

Câti e^-, p⁺, n⁰ are specia si cum poate fi redata simbolic?

Scrieti câte un izotop, izoton si izobar al speciei. Precizati pozitia în sistemul periodic si caracterul chimic al elementului.

4. Se da urmatoarea serie de nuclizi:

Sa se grupeze nuclizii pe baza relatiei dintre A, Z, N.

5. Se da izotopul cu urmatoarea compozitie a nucleului: 15 p⁺ si 16 n⁰. Scrieti configuratia electronica a elementului, marimile caracteristice nuclidului, pozitia în sistemul periodic, un izotop, un izobar si un izoton posibil. Elementul formeaza un acid cu compozitia procentuala: H - 3,06%, X - 31,63%. Care este formula acidului si ce stare de oxidare are X?

Mase atomice: H - 1, O - 16.

6. Elementul X din perioada a 3-a, grupa VI-A are în nucleu si 16 n⁰. Scrieti configuratia electronica a elementului, marimile caracteristice nuclidului, un izotop, un izobar si un izoton posibil. Elementul formeaza un acid în care starea lui de oxidare este 4+. Care este formula acidului si compozitia lui procentuala?

Mase atomice: H - 1, O - 16.

7. Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 7 particule α si 5 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

8. Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 7 particule α si 6 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 5 particule α si 4 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

10. Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 6 particule α si 5 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

11. Sa se scrie configuratia învelisului electronic a nucleului obtinut din prin emiterea a 7 particule α si 4 particule β. Precizati grupa, perioada si principalele proprietati ale noului element format.

3. PROPRIETĂŢI FIZICE sI CHIMICE ALE ELEMENTELOR

Proprietati fizice si modul de variatie corelat cu pozitia elementelor în sistemul

periodic.

Volumul atomic

Volumul atomic este definit prin relatia:

este o functie periodica de numarul atomic. Volumele atomice cele mai mari le au metalele alcaline, iar cele mai mici, metalele tranzitionale.

creste VI B creste VIII A

scad

Razele atomice

O periodicitate analoga prezinta si razele atomice. Cele mai mari raze atomice prezinta metalele alcaline, iar cele mai mici, metalele tranzitionale.

Raza atomica (r_a):

creste VI B creste VIII A

creste

Razele ionice

Razele ionice variaza la fel ca si razele atomice. Cu cât sarcina pozitiva a ionilor pozitivi este mai mare cu atât raza este mai mica.

Razele ionilor negativi sunt mai mari decât razele atomilor. Cu cât sarcina negativa a ionilor negativi este mai mare, raza ionilor este mai mare.

creste VI B creste VIII A

creste

Energia de ionizare

Una dintre cele mai importante marimi fizice ale atomilor este energia de ionizare. Prin energie de ionizare se întelege energia cheltuita pentru smulgerea unui electron dintr-un atom. Ea se exprima de obicei în electroni volti (eV). Cele mai mici energii de ionizare le au metalele alcaline, deoarece ele pot pierde cel mai usor electronul de pe ultimul strat. Energia de ionizare creste paralel si cu cresterea numarului atomic Z pentru elementele din aceeasi perioada. Aceasta se explica prin cresterea puterii de atractie a electronilor de catre nucleu.

E_i creste

creste

Afinitatea pentru electroni

Prin afinitate pentru electroni se întelege energia eliberata la alipirea unui electron la un atom, cu formarea unui ion negativ.

Faptul ca atomul neutru poate sa accepte electroni, arata ca nucleul nu are câmpul electric complet saturat si tinde spre o saturare formând ioni negativi prin acceptare de electroni. Stabilitatea ionului negativ astfel format este mult mai mare decât a atomului neutru. Asa se explica de ce ionul de fluor F^- este mai stabil ca atomul de fluor, iar anionul OH^- este mai stabil decât radicalul OH.

Afinitatea variaza invers cu energia de ionizare:

Proprietati chimice si modul de variatie corelat cu pozitia elementelor în sistemul periodic.

Starea de oxidare

O proprietate periodica este si starea de oxidare (numar de oxidare, treapta de oxidare).

Se întelege prin stare de oxidare o sarcina electrica formala, pozitiva sau negativa ce se atribuie unui element în combinatiile sale. Se atribuie sarcina pozitiva sau negativa în functie de caracterul electropozitiv sau electronegativ al partenerului.

Ca regula, putem spune ca în combinatiile cu elemente mai electronegative decât ele, starile de oxidare maxime ale elementelor din grupele principale, sunt pozitive egale cu numarul grupei din sistemul periodic. În combinatiile lor cu elemente mai electropozitive decât ele, starile de oxidare sunt negative si egale cu 8 - numarul grupei în care se gaseste elementul.

Starea de oxidare reprezinta numai întâmplator sarcina ionului real (de exemplu în Na₂S, Na₂O, NaCl etc.). Metalele de regula au numar de oxidare pozitiv, iar nemetalele au numar de oxidare si pozitiv si negativ.

Valenta elementelor într-o perioada creste de la stânga spre dreapta.

Electronegativitatea. Electropozitivitate.

Fiecare perioada se termina cu un gaz rar, formând împreuna grupa a VIII-a A. Aceste elemente se caracterizeaza printr-o mare inertie chimica, explicata printr-o structura electronica stabila. Dupa gazele rare urmeaza metalele alcaline care formeaza grupa IA si se caracterizeaza toate prin usurinta de a pierde electronul s, transformându-se într-un ion pozitiv.

Elementele care prezinta o tendinta accentuata de a primi electroni se numesc electronegative, iar cele care pierd usor electronii periferici, se numesc electropozitive.

Caracterul electronegativ creste de la stânga spre dreapta în rândurile orizontale ale sistemului periodic, iar caracterul electropozitiv se atenueaza. De asemenea se constata o scadere a caracterului electronegativ în grupe, de sus în jos. Aceasta înseamna ca cele mai electropozitive elemente se gasesc în stânga jos a sistemului periodic, iar cele mai electronegative în dreapta sus. În grupele din mijlocul sistemului periodic se gasesc elementele care nu au un caracter electropozitiv sau electronegativ pronuntat, ele sunt practic neutre.

Caracterul acido-bazic

Exista un paralelism între electronegativitate si caracterul acid sau bazic. Elementele electropozitive (sau cu electronegativitate mica) formeaza oxizi cu caracter bazic, iar elementele electronegative (sau cu electronegativitate mare) formeaza oxizi cu caracter acid.

Caracterul acid creste în grupa de jos în sus, iar în perioada creste de la stânga la dreapta. Cel mai puternic caracter acid se întâlneste la elementele situate în coltul din dreapta, sus a sistemului periodic.

Caracterul bazic creste în grupa de sus în jos, iar în perioada creste de la dreapta spre stânga. Elementele aflate în coltul din stânga, jos al sistemului periodic au caracterul bazic cel mai pronuntat.

Elementele din grupele secundare nu se supun regulilor de mai sus. Majoritatea elementelor din grupele secundare (tranzitionale) apar în mai multe stari de oxidare.

Punctele de topire si de fierbere

Desfacerea retelei cristaline prin topire depinde de fortele de legatura dintre particulele constituente. Aceste forte depind de caracteristicile particulelor (volum, sarcina electrica, învelis electronic, etc.).

Elementele cu volum atomic mic si valenta mare formeaza cristale în care fortele de legatura sunt foarte mari.

Punctele de topire sunt functie de numarul atomic, Z. În grupele principale, I - IV, temperaturile de topire scad cu cresterea numarului atomic, pe când în grupele IV - VIII principale si în grupele secundare cresc cu numarul atomic. În perioada, temperatura de topire a elementelor creste pâna la grupa a IV-a, apoi, scade. În acelasi mod se comporta si temperatura de fierbere.

PROBLEME REZOLVATE

Problema nr.1

Ordonati urmatoarele elemente în sensul cresterii electronegativitatii lor:

Se scrie configuratia electronica a elemenetelor si se pozitioneaza în sistemul periodic.

O : 1s² 2s² 2p⁴ perioada a 2-a, gr. VIA

F : 1s² 2s² 2p⁵ perioada a 2-a, gr. VIIA

S : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ perioada a 3-a, gr. VIA

P : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ perioada a 3-a, gr. VA

Cl : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵  perioada a 3-a, gr. VIIA

Ţinând cont de variatia electronegativitatii elementelor în grupe si perioade, se ordoneaza elementele în sensul cresterii electronegativitatii:

P < S < Cl < O < F

Problema nr. 2

Care din elementele urmatoare are energia de ionizare mai mare?

Se scrie configuratia electronica a elemenetelor si se pozitioneaza în sistemul periodic.

Na : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ perioada a 3-a, gr.IA

Al : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ perioada a 3-a, gr. IIIA

K : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ perioada a 4-a, gr.IA

Ca: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² perioada a 4-a, gr. IIA

Ţinând cont de variatia energiei de ionizare elementelor în grupe si perioade, se ordoneaza elementele în sensul cresterii energiei de ionizare:

	gr

per.	IA	IIA	IIIA
	Na		Al
	K	Ca

Al < Ca < Na < K

Problema 3.

Care dintre metalele Zr (Z=40), V (Z=23) si Ir (Z=77) va avea duritatea mai mare? (Toate metalele cristalizeaza în retea compacta.)

Se scrie configuratia electronica a metalelor si se stabileste numarul de electroni de pe ultimul strat cu care metalul participa la formarea legaturii metalice:

Zr Z=40 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d² 4e^-

V Z=23 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³ 5e^-

Ir Z=77 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁷ 9e^-

Se ocupa cu electroni banda de valenta pentru a stabili care este gradul de ocupare cu electroni a acesteia.

Duritatea cea mai mare o are V, deoarece el are cel mai mare grad de ocupare cu electroni a benzii de valenta. Urmeaza apoi Zr si Ir.

PROBLEME PROPUSE

1. Sa se discute comparativ proprietatile metalelor: Ti Z = 22; Cr Z = 24; Mo = 42; Mn Z = 25; W Z = 74; Rb Z = 37; Nb Z = 41.

Cu exceptia Rb care cristalizeaza în retea afânata, restul metalelor cristalizeaza în retea compacta.

2. Care din elementele urmatoare are caracterul cel mai metalic?

3. Care dintre urmatoarele elemente are raza cea mai mica?

Aranjati elementele de mai jos în ordinea cresterii energiei de ionizare:

Se dau elementele chimice A cu numarul atomic Z = 11 si B cu Z = 17. Se cere:

a) valenta metalelor date;

b) pozitia în sistemul periodic.

Ordonati în sensul cresterii temperaturilor de topire urmatoarele metale: Ti Z= 22; Mo Z = 42; Ag Z = 47. Scrieti configuratiile electronice si pozitiile în sistemul periodic al elementelor.

4. CONCENTRAŢIA SOLUŢIILOR

Concentratia unei solutii exprima raportul dintre substanta dizolvata si solutie sau solvent. Exista numeroase moduri de exprimare a concentratiei solutiilor, în functie de unitatile de masura în care se exprima cele doua componente (dizolvatul si solutia sau solventul).

1. Concentratia procentuala

1.1. Concentratia procentuala de masa: reprezinta cantitatea de substanta dizolvata, exprimata în grame din 100 g de solutie.

,

m_s = m_d + m_solv.

unde: c%_m - concentratia procentuala de masa[%] ;

m_d - masa solutie [g];

m_s - masa solutiei [g];

m_solv. - masa solventului [g].

1.2. Concentratia procentuala de volum: exprima numarul de litri de dizolvat din 100 l de solutie.

, V_s = V_d + V_solv.

unde: c%_v - concentratia procentuala de masa[%] ;

V_d - volumul solutiei [l];

V_s - volumul solutiei [l];

V_solv. - volumul solventului [l].

Acest mod de exprimare a concentratiei se aplica atunci când componentele solutiei sunt gaze.

1.3. Concentratia procentuala volumetrica: reprezinta grame de solut la 100 ml solutie.

2. Concentratia molara (molaritatea)

- reprezinta numarul de moli de substanta dizolvata într-un litru de solutie.

unde: m - concentratia molara [mol/l];

M_d - masa molara a solvatului [g].

3. Concentratia normala (normalitatea)

- reprezinta numarul de echivalenti-gram de solut dintr-un litru de solutie.

unde: n - concentratia normala, [val/l];

E_d - echivalentul gram al solutului, [g];

V_S - volumul solutiei [l].

4. Concentratia molala (molalitatea)

- este definita ca fiind moli de solut la 1000 g de solvent.

unde: a - concentratia molala, [moli/1000 g solvent];

M_d - masa molara a solutului, [g];

m₂ - masa solutului, [g].

5.Fractia molara

Considerând o solutie binara ce contine n₁ mol solvent si n₂ mol substanta dizolvata, atunci fractiile molare x₁ (a solventului) si x₂ ( a substantei dizolvate) sunt:

unde: x₁ + x₂ = 1.

6.Titrul solutiei

- reprezinta cantitatea de substanta dizolvata, exprimata în grame, într-un mililitru de solutie.

unde: T - titrul solutie, [g/ml];

m_d - masa de substanta , [g];

V_S - volumul solutiei, [ml].

Alte relatii utilizate în calcule de concentratii:

PROBLEME REZOLVATE:

Problema nr.1:

Reactioneaza 200 g solutie NaOH 20% cu 200 g solutie HCl 18,25%. Sa se arate daca reactia este totala.

NaOH + HCl = NaCl + H₂O

M_NaOH = 23 + 16 + 1 = 40

M_HCl = 1 + 35,5 = 36,5

Pentru NaOH: g NaOH

Pentru HCl: g HCl

40 g NaOH .......36,5 g HCl

36,5 - 36,5 = 0

Rezulta ca reactia este totala.

Problema nr.2

Se da 100 g solutie x% H₂SO₄, care dizolva 13 g zinc. Se cere x.

H₂SO₄ + Zn ZnSO₄ + H₂

A_Zn = 64

98 g H₂SO₄ ..........64 g Zn

y g H₂SO₄ ..........13 g Zn

g H₂SO₄

Problema nr.3

Se amesteca doua solutii ale unei substante cu raportul molar: H : S : O = 1 : 16 : 32, astfel:

- 800 cm³ solutie 4% cu ρ = 1025 kg/m³

- 500 cm³ solutie 54% cu ρ = 1435 kg/m³

Despre ce substanta este vorba? Sa se determine concentratia procentuala, molara, normala, molala si titrul solutiei finale.

H_xS_yO_z

H : H = 1

S: x 2 S = 1 H₂SO₄ acidul sulfuric

O: O = 4

Din relatia

g

g

g

Din relatia

g

g

g

Problema nr.4

Se amesteca:

- 1,2 kg solutie H₂SO₄ 4,9%

- 2 l solutie H₂SO₄ 0,2M;

- 1 l solutie H₂SO₄ 0,2 N;

- 0,25 kmol apa.

Considerând denstitatea solutiei ca fiind aproximativ egala cu 1 g/cm³, sa se exprime concentratia solutiei finale în toate modurile posibile.

PROBLEME PROPUSE:

1. Reactioneaza 300 g solutie KOH 28% cu 500 g solutie HNO₃ 12.8%. Sa se arate daca reactia este totala.

2. Reactioneaza 500 cm³ solutie H₂SO₄ 51% cu ρ = 1,4 g/cm³ cu 500 cm³ solutie KOH 50% cu ρ = 1500 kg/m³. Sa se arate daca reactia este totala.

3. Se da 200 g solutie y% HNO₃ care dizolva 4,8 g magneziu. Se cere y.

4. La neutralizarea a 500 g solutie z% H₂SO₄ se consuma 28 g KOH. Se cere z.

5.Ce cantitate de substanta este necesara pentru a obtine:

a) 250 g solutie 35%;

b) 50 g solutie 2,5%;

c) 2 kg solutie 10%;

d) 0,8 kg solutie 20%.

6.S-au dizolvat 20 g dintr-o substanta cu raportul molar Mg : S : O = 3 : 4 : 8 si s-a adus la 3 l de solutie. Densitatea acestei solutii este 1125 kg/m³. Despre ce substanta este vorba? Sa se exprime concentratia solutiei în toate modurile posibile.

7. Se amesteca doua solutii ale unei substante cu urmatoarea compozitie procentuala: H = 3,06%, P = 31,63%, astfel:

- 400 g cu c = 13,76% si ρ = 1075 kg/m³

- 200 g cu c = 44% si ρ = 1575 kg/m³

Despre ce substanta este vorba? Sa se determine concentratia procentuala, molara, normala, molala si titrul solutiei finale.

8. Se amesteca doua solutii ale unei substante cu urmatoarea compozitie procentuala: H = 2.06%, S = 32.65%, astfel:

- 500 g solutie 20% cu ρ = 1140 kg/m³

- 300 g solutie 60% cu ρ = 1500 kg/m³

Despre ce substanta este vorba? Sa se determine concentratia procentuala, molara, normala, molala si titrul solutiei finale.

9. Se amesteca:

a) 400 cm³ solutie de HCl 0,4 m cu 0,8 l solutie HCl 0,1 m

b) 600 cm³ solutie H₂SO₄ 0,5 n cu 1,2 l solutie H₂SO₄ n.

Se cere m si n a solutiei finale.

10. Se amesteca:

a) 0,4 kg solutie de NaOH 40% cu 600 cm³ apa distilata

b) 0,4 l solutie CuSO₄ 20% cu ρ = 1,2 g/cm³ cu 0,6 l apa distilata..

Se cere c% a solutiei finale.

11. Se amesteca:

a) 400 g solutie H₂SO₄ 40% cu 600 cm³ apa distilata. Se cere c% a solutiei finale.

b) 500 cm³ solutie H₂SO₄ 0,5 m cu 500 g apa distilata. Se cere molaritatea si normalitatea solutiei finale.

11. 49 g solutie 10% H₂SO₄ se neutralizeaza cu x g solutie NaOH 8%. Se cere x.

12. 400 g solutie 28% KOH se neutralizeaza cu y g solutie 6,3% HNO₃ .Se cere y.

300 g solutie 11,2% KOH se neutralizeaza cu z g solutie 49% H₂SO₄. Se cere z.

14.Se amesteca:

- 600 g solutie H₂SO₄ 20% cu ρ = 1,14 g/cm³

- 600 g solutie H₂SO₄ 60% cu ρ = 1,52 g/cm³

- 600 g solutie H₂SO₄ 14% cu ρ = 1,09 g/cm³

- 0,25 kmol apa.

Sa se exprime concentratia solutiei finale în toate modurile posibile.

5. TERMODINAMICA CHIMICĂ

1. CONSIDERAŢII TEORETICE

O reactie chimica este însotita de un schimb energetic, de cele mai multe ori de caldura. Transferul de caldura se ia în considerare fie la volum constant, fie la presiune constanta. Daca are loc un transfer de caldura la volum constant atunci transferul de caldura este egal cu variatia energiei interne (ΔU). Daca se lucreaza la presiune constanta, atunci schimbul de caldura este egal cu variatia de entalpie (ΔH). În conditii obisnuite, se lucreaza la presiune constanta si ca urmare, se ia în considerare variatia entalpiei, ΔH. Reactiile în care ΔH>0 se numesc endoterme, cele în care ΔH<0, exoterme.

Exista tabele care contin variatiile entalpiilor în conditii standard. Pentru conditiile standard, aceste variatii de entalpii se noteaza în mod diferit în functie de procesul care a avut loc, conform unei conventii. Daca variatia de entalpie produsa la cantitatile exprimate de catre ecuatia chimica, se numeste entalpia standard de reactie si se noteaza cu . Cu se noteaza entalpia standard de formare, care reprezinta variatia de entalpie care însoteste formarea unui mol de substanta în stare standard din elementele sale componente, tot în stare standard. Entalpiile standard de formare ale elementelor se considera prin conventie egale cu zero. Daca însa un element se cunoaste sub mai multe forme, atunci se considera egala cu zero numai entalpia standard de formare a structurii stabile în conditii standard (de exemplu în cazul carbonului pentru grafit sau în cazul sulfului pentru sulful ortorombic).

Cunoscând entalpiile standard de formare se pot calcula entalpiile standard de reactie.

Legile termochimiei se bazeaza pe conservarea energiei, deci pe primul principiu al termodinamicii.

a) Legea Lavoisir-Laplace (1781)

"Efectul termic al reactiei de descompunere a unei substante în elemente este egal si de semn contrar cu caldura de formare din elemente a substantei".

Exemplu:

ΔH=-6,2 kcal/mol

ΔH=+6,2 kcal/mol

b) Legea lui Hess (1840) - legea aditivitatii caldurilor de reactie:

"Efectul termic al unei reactii depinde numai de starea initiala si finala a sistemului, adica efectul termic este acelasi, fie ca reactia se desfasoara direct, într-o singura etapa, fie ca are loc în mai multe etape intermediare".

Ecuatiile termochice se pot deci aduna sau scadea ca si ecuatiile algebrice.

Consecintele legii lui Hess

1. "Efectul termic al unei reactii este egal cu diferenta dintre suma caldurilor de formare din elemente ale produsilor de reactie si suma caldurilor de formare ale reactantilor initiali" (se tine seama de coeficientii stoechiometrici ai reactiilor):

2. "Efectul termic al unei reactii este egal cu diferenta dintre suma caldurilor de combustie a reactantilor si suma caldurilor de combustie a produsilor de reactie" (se tine seama de coeficientii stoechiometrici ai reactiilor):

Cu ajutorul legii lui Hess se pot calcula caldurile de reactie ale proceselor greu de realizat sau de masurat direct (de exemplu: procese care decurg prea lent pentru a le fi determinat efectul termic).

Mai uzual, consecinta a doua a legii lui Hess se enunta astfel: "caldura de formare din elemente a unei substante se afla scazând caldura ei de ardere din suma caldurilor de ardere ale elementelor componente".

c) Legea lui Kirchhoff

Caldura de reactie este dependenta de temperatura. Legea lui Kirchhoff exprima cantitativ aceasta dependenta.

Coeficientul de temperatura al caldurii de reactie este egal cu diferenta capacitatilor calorice ale sistemului dupa reactie (C_pf) si înainte de reactie (C_pi):

Aceasta ecuatie permite calcularea caldurii de reactie la orice temperatura.

Daca ΔC_p este constant, atunci integrarea între T₁=0 si T₂=T duce la ecuatia:

unde ΔH₀ este valoarea extrapolata la 0 K a caldurii de reactie.

ΔH_T=f(T) este o curba crescatoare sau descrescatoare, care poate avea minim sau maxim, în functie de modul cum se schimba ΔC_p cu temperatura.

La proiectarea instalatiilor industriale trebuie sa se aibe în vedere acest lucru pentru dimensionarea corecta a încalzitoarelor sau racitoarelor.

2. PROPBLEME REZOLVATE

2.1. Legea lui Hess

Problema 1

Sa se determine caldura de formare din elemente a ZnSO₄ cunoscând efectele termice ale reactiilor de mai jos (în kcal/mol):

ZnS = Zn + S_ortorombic ΔH₁ = +44,00

ΔH₂ = -110,94

ΔH₃ = -23,44

ΔH₄ =+55,10

Rezolvare

Se rescriu ecuatiile ca mai jos si se aduna:

-ΔH₁

ΔH₂

ΔH₃

-ΔH₄

ΔH_f

ΔH_f = -ΔH₁ + ΔH₂+ ΔH₃ + ΔH₄ = -233,48 kcal/mol

Problema 2.

Determinati caldura de reactie a procesului:

daca sunt cunoscute caldurile de formare din elemente ale substantelor:

J/mol

J/mol

J/mol

Rezolvare

Se cunosc deci efectele termice ale reactiilor urmatoare:

ΔH₁= -1,2·10⁶ J/mol

ΔH₂ = -0,394·10⁶ J/mol

  ΔH₃ =-0,286·10⁶ J/mol

care se pot scrie astfel:

ΔH₁

- 6ΔH ₂

- 6 ΔH₃

J/mol

Se ajungea la acelasi rezultat aplicând direct consecinta 1 a legii lui Hess:

J/mol

Problema 3.

Sa se calculeze caldura de formare a metanului (care nu poate fi masurata direct):

ΔH= ?

Se cunosc efectele termice ale reactiilor urmatoare:

ΔH₁ = -94,05 kcal/mol

ΔH₂ = - 68,32 kcal/mol

ΔH₃ = -212,80 kcal/mol.

Rezolvare

Conform consecintei a doua a legii lui Hess, rezulta:

kcal/mol

Sau, se cunosc efectele termice ale urmatoarelor reactii:

ΔH₁

2 ΔH₂

- ΔH₃

kcal/mol

Problema 4.

Sa se calculeze caldura de esterificare standard a alcoolului etilic si a acidului acetic:

a) din calduri de ardere;

b) din entalpii de formare.

Se cunosc:

Rezolvare

Reactia de esterificare este:

a)

kcal

kcal

kcal

b)

kcal

kcal

kcal

Problema 5.

În conditii standard, în reactia:

Se degaja cantitatea de caldura de 135,28 kcal. Sa se calculeze caldura molara de formare standard a CO_2(g), cunoscând caldura de formare standard a CO_(g): ΔH_f(CO)=-26,41 kcal/mol.

Rezolvare

Caldura de reactie este:

kcal/mol

2.2. Legea lui Kirchhoff

Problema 1.

Sinteza alcoolului metilic din gazul de sinteza este însotita de degajarea a 22,1 kcal/mol în conditii normale. Care este entalpia de reactie la 500°C, daca se cunosc caldurile molare:

Rezolvare

Reactia de sinteza a alcoolului metilic este:

kcal

Se cunoaste relatia:

Δa = 2 - (7 + 2·7) = -19 cal/K

Δb = 0,03 - (0 + 2·0) = 0,03 cal/K²

ΔC_p = -19 + 0,03·T

T = 273 + 500 = 773 K

= 23494 cal = 23,494 kcal

3. PROBLEME PROPUSE

3.1. Legea lui Hess

1. Sa se calculeze caldura de formare din elemente a Fe₂(SO₄)₃. se cunosc:

ΔH₁ = -198,5 kcal/mol

ΔH₂ = -106,0 kcal/mol

ΔH₃ = -136,7 kcal/mol

2. În reactia carbidului (CaC₂) cu apa în exces rezulta acetilena si hidroxid de calciu. Calculati caldura de reactie care apare la obtinerea a 10 m³ acetilena (C₂H₂), la 20°C si 760 mmHg. În aceste conditii se cunosc:

ΔH₁ = -14,100 kcal/mol

ΔH₂ = -68,52 kcal/mol

ΔH₃ = +54,8 kcal/mol

ΔH₄ = -238,8 kcal/mol

3. Un alcan cu catena normala, a carui caldura de formare din elemente în conditii standard este = -1505,3 kcal/mol are caldura de combustie = -845,3 kcal/mol. Sa se determine formula alcanului.

Se cunosc:

kcal/mol;

kcal/mol.

4. În conditii standard în reactia:

Se degaja cantitatea de caldura de 249,88 kcal. Sa se calculeze caldura molara de formare standard a H₂S, cunoscând:

kcal/mol:

kcal/mol.

5. Sa se calculeze caldura de reactie standard (în J si cal) pentru reactia:

Se dau:

6. Sa se calculeze cantitatea de caldura necesara pentru descompunerea unui kilogram de CaCO₃ în CaO si CO₂ în conditii standard, stiind ca:

7. Sa se calculeze cantitatea de caldura degajata sau absorbita la neutralizarea completa a 5 l solutie HCl 0,2N cu cantitatea echivalenta de NaOH.

Se dau:

3.2. Legea lui Kirchhoff

1. Sa se calculeze efectul termic al reactiei:

la temperatura de 600°C, cunoscându-se urmatoarele date:

2. Sa se calculeze cantitatea de caldura necesara la descompunerea a 1 t de CaCO₃ de puritate 60% la temperatura de 927°C. Se cunosc urmatoarele date:

3. Sa se calculeze variatia de entalpie la încalzirea unui mol de MgO de la 298 K la 1298 K. Se cunoaste:

cal/mol K