Corelatia dintre caracteristicile structurale si proprietatile fizice la nivelul substantelor, prin prisma interdisciplinaritatii :

Conţinutul ştiinţific al lecţiilor de chimie este transmis cu eficienţă elevilor, dacă se folosesc metodele cele mai accesibile, în care se face apel şi la cunoştinţele dobândite de elevi la alte discipline, cel mai adesea fâcându-se trimiteri la matematică, fizică sau biologie.

Redăm în continuare câteva aspecte legate de justificarea unor proprietăţi fizice ale substanţelor organice studiate, prin interdependenţa cu structura chimică a acestora.

In cazul substanţelor, în general şi, evident şi în cazul substanţelor organice, există o strânsă legătur ă între structura chimică şi proprietăţile lor. Astfel, cunoscându-se structura chimică, pot fi descrise proprietăţile sale generale, sau invers, cunoscându-se proprietăţile generale, se poate stabili uşor structura chimică.

Cele mai multe substanţe organice, excepţie făcând sărurile acizilor organici, sărurile de alchil amoniu şi cele de diazoniu, alcooxizi şi fenoxizi, sunt formate din molecule ca unităţi structurale între care există legături fizice. Aceste legături determină o serie de proprietăţi fizice ale substanţelor, cum ar fi: masa moleculară, starea de agregare, punctul de topire, punctul de fierbere, duritate, densitate, solubilitate, conductibilitate, indice de refracţie, activitatea optică, momentul de dipol

Masa moleculară, variază în limite largi, fiind mai mare la substanţele lichide şi solide şi mică la cele gazoase. La nivelul seriei omoloage, masa moleculară creşte odată cu creşterea numărului de atomi de carbon, trecându-se de la gaze, spre lichide şi apoi la solide.

Starea de agregare, este determinată de tăria legăturilor dintre unităţile structurale (forţa de interacţiune) şi implicit de gradul de aglomerare al acestor unităţi. Aceste aspecte depind foarte mult de parametri fizici ai sistemului. Astfel, la gaze se consideră că practic nu există legături între particule şi de aceea au gradul de aglomerare cel mai mic. La lichide, unde există legături de hidrogen, dipol-dipol, sau van der Waals, gradul de aglomerare este mult mai mare, comparabil cu al solidelor, dar legăturile între particule sunt mai slabe decât la acestea. Solidele, prezintă cele mai puternice legături care sunt metalice, ionice sau covalente.

Anizotropia este caracteristica unei substanţe de a nu avea aceleaşi proprietăţi fizice în toate direcţiile şi ea depinde evident de structura moleculară şi modul de formare a reţelei cristaline. De exemplu, la grafit, structura acestuia stratificată, explică clivajul uşor al cristalelor, duritatea mică (straturile plane de atomi se rup succesiv la forfecare) şi proprietăţile lubrefiante (straturile de atomi alunecă uşor, în raport cu cele vecine). Structura stratificată explică foarte bine anizotropia grafitului, adică variaţia enormă a anumitor proprietăţi când sunt măsurate paralel cu axa c a cristalului, sau perpendicular pe ea (paralel cu axa a , adică cu planurile de atomi legaţi covalent). Astfel, compresibilitatea liniară a grafitului, normal pe planurile de atomi, este de IO4-IO5 ori mai mare decât paralel cu planurile de bază.

Conductibilitatea calorică, paralel cu planurile de atomi este de circa 200 de ori mai mare decât perpendicular pe ele.

Conductibilitatea electrică a grafitului este condiţionată de impurităţi şi se apreciază că raportul anizotropic al conductibilităţii electrice în sensul axelor c şi a este de circa 1:200.

Punctul de fierbere, este dat de temperatura la care presiunea vaporilor de lichid, devine egală cu presiunea mediului ambiant. Aceiaşi factori care influenţează topirea, sunt determinanţi şi în stabilirea punctului de fierbere.
Şi în cazul vaporizării putem vorbi de un echilibru între faza lichidă şi cea gazoasă, la temperatura de fierbere, precum şi de absorţia unei călduri latente de vaporizare, care are o expresie asemănătoare cu cea de la topire.

In cele ce urmează, se redau sub formă de reguli, unele generalizări stabilind relaţia între punctele de fierbere şi structura moleculelor:

a) In aceeaşi serie omoloagă, punctul de fierbere creşte progresiv de la un termen la termenul superior;

b) Printre izomerii de catenă, are punctul de fierbere cel mai înalt, izomerul cu catena normală şi punctul de fierbere cel mai scăzut, izomerul cu catena cea mai ramificată. Ciclizarea, produce de multe ori o urcare considerabilă a punctului de fierbere. Cicloalcanii fierb la temperatură mai înaltă nu numaidecât alchenele izomere cu ei, dar şi decât alcanii normali cu acelaşi număr de atomi de carbon;


c) La izomerii de poziţie din clasa compuşilor halogenaţi, a alcoolilor, a nitro-derivaţilor, a acizilor, etc, punctul de fierbere scade în ordinea: izomer primar > izomer secundar > izomer terţiar;

d) Izomerii cis au de multe ori puncte de fierbere mai înalte decât izomerii trans. Se recunoaşte o corelaţie între momentul electric al moleculei şi punctul de fierbere, ştiut fiind că izomerii cis au, în general, momente electrice, mai mari decât izomerii trans. Din acelaşi motiv compuşii orto-disubstituiţi ai benzenului au puncte de fierbere mai înalte decât izomerii lor meta- şi para-disubstituiţi;

e) Izomerii cu mai multe duble legături în moleculă au puncte de fierbere mai înalte dacă prezintă duble legături conjugate;
Compuşii cu moleculele asociate au puncte de fierbere anormal de înalte. Printre compuşii din această categorie fac parte : alcoolii, fenolii, acizii, amidele şi oximele;

g) Compuşii cu molecule puternic polare, au de asemenea puncte de fierbere anormal de înalte, deşi în cazul acestora nu sunt semne de asociaţie moleculară.
Duritatea este nesemnificativă în cazul substanţelor organice, deoarece în general este destul de mică.

Densitatea substanţelor organice lichide şi solide, de obicei este dată în raport cu cea a apei de 4°C, fiind denumită densitate relativă şi notată cu d.

Solubilitatea reprezintă cantitatea maximă de substanţă (solvat) care se dizolvă în condiţii date de temperatură, într-un anumit volum de solvent. Ea este influenţată de natura solvatului, natura solventului, temperatură, iar pentru substanţele gazoase şi de presiune. Când solventul este apa, solvatarea poate fi explicată prin mai multe tipuri de interacţiuni:
a) interacţiuni ion-dipol, care se întâlnesc la substanţele organice ionice şi se explică prin realizarea unor legături între ionii de solvat şi moleculele polare de solvent, care duc la desprinderea ionilor din reţeaua cristalină şi trecerea lor în soluţie. O menţiune specială trebuie făcută pentru moleculele săpunurilor şi detergenţilor ionici, la care molecula este formată dintr-un rest hidrocarbonat nesolvabil şi un ion solubil în apă;
b) interacţiuni hidrofobe solvat organic-apă, care presupune o repulsie reciprocă a moleculelor. Ele pot fi explicate prin faptul că între moleculele organice există slabe atracţii van der Waals, iar între cele de apă, legături de hidrogen puternice.
c) interacţiuni dipol-dipol, ce se întâlnesc la substanţele organice polare şi care se explică prin formarea unor legături fizice între dipolii de solvent şi solvat, care uşurează solvatarea; d)interacţiuni prin legături de hidrogen cu moleculele de solvent.

Şi pentru a vedea mai bine legătura dintre structură şi proprietăţile fizice şi chimice ale substanţei, trebuie precizat că atât interacţiunile dipol-dipol cât şi cele prin legături de hidrogen, scad pe măsură ce creşte restul hidrocarbonat al moleculei şi de aceea solubilitatea substanţelor organice scade cu creşterea catenei hidrocarbonate.

Conductibilitatea, ca şi în cazul durităţii, este nesemnificativă în general fiind materiale dielectrice (izolatoare electric), având permitivitatea electrică absolută apropiată de a aerului.

Indicele de refracţie pentru un compus organic, ca pentru orice substanţă, poate fi exprimat: n = sin i / sin r = v_aer / V_lichid, în care i este unghiul de incidenţă (în aer), iar r este unghiul de refracţie (în lichid). Structural, se constată că n este influenţat de polarizare, care creşte cu atât mai mult cu cât molecula este mai polarizată. Din această cauză substanţele organice nesaturate şi cele care conţin atomi grei sau cu electroni neparticipanţi, sunt mai polarizate şi au un n mai mare.

Activitatea optică este proprietatea substanţelor de a roti planul luminii polarizate, iar substanţele ere prezintă această proprietate se numesc substanţe optic active. O substanţă optic activă, prezintă doi izomeri numiţi enantiomeri sau antipozi optici, deoarece se comportă ca imaginea faţă de obiect, într-o oglindă plană, fiind forme nesuperpozabile. Cei doi enantiomeri au aceleaşi proprietăţi chimice, dar rotesc planul luminii polarizate în sensuri diferite. Un amestec echimolecular din cei doi izomeri formează un racemic optic inactiv, în acest caz, manualul de chimie de clasa a XII-a oferă foarte multe exemple.

Momentul de dipol, notat u este caracteristic substanţelor formate din două sarcini electrice de semn contrar, aflate la distanţa d, una de alta şi poate fi scris i = q x d , mărimea având valoarea măsurată în unităţi Debye. Moleculele simetrice şi nepolare au i = 0, iar cele polare au i = 0. Polaritatea moleculelor este dată de polaritatea legăturilor covalente şi de poziţia relativă a lor în moleculă. însumarea momentelor de dipol ale legăturilor se face după regula de compunere a vectorilor, aşa cum se învaţă în clasa a IX-a la fizică şi matematică, iar rezultanta exprimă momentul de dipol al moleculei, valorile sale dând informaţii foarte importante asupra structurii. Momentul de dipol dă informaţii foarte importante asupra unor proprietăţi ale moleculelor organice, cum ar fi solubilitatea pe care am discutat-o mai sus, simetria sau asimetria moleculelor, reactivitatea unor grupe funcţionale, etc.

Fiind rezultanta însumării vectoriale a momentelor de legătură, momentul electric global al unei molecule depinde, evident, într-o mare măsură, de simetria acesteia. Astfel, moleculele CO2 şi CS2, deşi compuse din legături polare, sunt nepolare, în timp ce molecule ca O3 , SO2 şi NH3 au momente electrice diferite de zero, ceea ce dovedeşte că au forme angulare sau piramidale (molecula de NH3 este o piramidă turtită cu o înălţime de 0,38A° şi unghiuri de valenţă de 107°).
Hidrocarburile saturate, indiferent dacă au catene liniare, ramificate sau ciclice şi indiferent de lungimea acestora, sunt nepolare, deşi legăturile C-H din aceşti compuşi (cu hibridizare sp3) posedă un mic moment electric (circa 0,3 D, evaluat în spectrele în infraroşu). Urmează de aici că momentele tuturor legăturilor C-H se compensează reciproc, chiar în moleculele cu simetrie redusă. Acest fapt este o consecinţă a structurii tetraedrice a metanului. în această hidrocarbură, momentul unei legături C-H este compensat de momentele celorlalte trei legături C-H.
_{sursa imaginii : freeschoolclipart.com}

---

Tag-uri: caracteristici, proprietati, fizica, substante

---

Categorie: Educatie  - ( Educatie - Archiva)

Data Adaugarii: 16 January '08

---

Adaugati un link spre aceasta pagina pe blog-ul, site-ul sau forum-ul Dvs. :

---