PRORIETATI ELECTRICE ALE SUBSTANTELOR

Molecule polare si nepolare:

Din punct de vedere electric moleculele sunt neuter,ele pot arata o separare a sarcinilor pozitive ,concentrate in nucleele atomilor cu sarcina negative de electronii ce graviteaza in jurul nucleelor

Se intalnesc doua cazuri:

-moleculele sunt nepolare daca cele doua centre coincid

-moleculele sunt polare daca cele doua centre nu coincide

Moleculele nepolare sunt formate din atomi identici cum ar fi: O_2, Cl H N

Moleculele polare sunt formate din atomi diferiti,au proprietate elementelor chimice de a fi electronegative diferite cum ar fi:molecula de apa,alcool etilic(C2H5OH),fenol,acid clorhidric gazos si uscat.Ele mai sunt numite si dipoli electrici care este un sistem de doua sarcini electrice apropiate,agale si de semn contrar.

Momentul dipolar este o marime vectoriala au sarcinile (+) si (-) repartizate si lagate chimic incat centrul de masa al sarcinilor (+) difera de centrul de masa al sarcinilor (-) si rezulta un moment electric nenul.

Unitatea Debye se noteaza cu D si este o unitate de masura a momentului electric.Toate moleculele nesimetrice sunt polare iar moleculele simetrice sunt nepolare.

Polarizatia moleculara:

Media momentelor electrice de dipol din unitatea de volum se numeste polarizatie si se noteaza cu P .

Polarizatia mutuala a ionilor face imposibila realizarea unor legaturi ionice pure si explica o serie de proprietati ale retelelor ionice.

Polarizarea mutuala a moleculelor datorata polaritatii si polarizabilitatii acestora este cauza aparitiei unor legaturi intramoleculare si deci a coeziunii si stabilitatii compusilori moleculari ca si a unor prorietati fizice:puncte de topire,fierbere etc.Aceste interactii apar intre molecule si sunt cunoscute sub numele de forte Van Der Waals si legaturi de hidrogen.

Polarizatia de deplasare este determinata de polarizatia electronica PE si polarizatia atomica PA deci PD=PE+PA

Polarizatia electronica PE:

-consta in deplasarea in sensuri opuse a invelisurilor electronice ale atomilor(catre anodul unui condensator) si a nucleelor atomice (catre catod)

-se produce la toate tipurile de atomi atat la cei izolati cat si la cei implicati in legaturi chimice

Polarizatia atomica PA:

-se produce numai la moleculele polare care introduce in camp electric isi orienteaza atomii mai electronegative ,deci cei cu sarcina fractionara negative spre anod iar atomii mai electropozitivi cei cu sarcina fractionara pozitiva spre catod.

-separarea sarcinilor pozitive si negative in particule determina aparitia momentului electric indus in moleculele nepolare (initial cu momentul dipolar µ=0) care devin astfel polare atat timp cat se afla sub actiune acampului electric

-momentul dipol indus depinde de intensitatea E a camului inductor si de deformabilitatea elecrica a particulei (molecula,ion,atom) numita polarizabilitate si este o caracteristica a fiecarei substante , ea reprezinta usurinta cu care se deplaseaza electronii.

Polarizarea de orientare este o polarizare moleculara suplimentara care apare la moleculele polare (pe langa polarizarea de deplasare) fiind determnata de orientarea paralele a dipolilor permanenti in directie contrara campului electric

-agiatia termica se opune acestei orientari deci polarizarea de orientare depinde de temperature spre deosebire de polarizarea de deplasare.Debye a stabilitit relatia de dependenta intre valoarea medie µo a momentului electric indus de orientare reciproca a dipolilor si temperature absoluta T:

µo µ ² / 3 k T ).E

Polarizarea Molara PM reprezinta momentul de dipol indus intr-un mol de dielectric si se deterima astfel:

-pentru moleculele polare PM=PD+PO=PE+PA+PO

-pentru moleculele nepolare PM=PD=PE+PA

Ecuatia Mossotii-Clausius este folosita intr-unul din urmatoarele cazuri:

-moleculele sunt apolare

-frecventa campului aplicat este mare ,astfel incat polarizarea de orientare este negljabila.

-moleculele fiind prinse intr-o retea cristalina sunt impiedicate sa orienteze astfel incat polarizarea de orientare este neglijabila sau chiar nula.

Relatiile intre structura chimica si

momentul de dipol

Multe substante au momente electrice nule, moleculele lor fiind nepolare de exemplu:hidrogenu,oxigenul,dioxidul de carbon,metanul,tetraclorurade carbon,benzenul

Momente electrice de dipol ale catorva substante:

Moleculele electrice globale reprezinta suma vectoriala a tuturor momentelor electrice de legatura din molecula.Chiar daca molecula este nepolara ,ca in cazul metanului si deci momentul electric global este nul fiacre legatura C-H poseda un moment electric al sau.

Momente de dipole pentru legaturi interatomice:

Cu ajutorul momentelor de legatura se pot calcula momentele electrice globale ale unor molecule mai complexe cu structura cunoscuta..Valoarea globala da indicatii asupra structurii moleculei.

Lipsa momentului dipole pentru molecula de clorura borica (BCl ) , indica o structura monoplanara pentru aceasta molecula.

Cl Cl

-Structura moleculei de BCl

B

|

Cl

Existenta uniu dipole-moment global pentru moecula de dioxid de suls,indica o structura angulara a moleculei.Pentru a calcula momentul dipolar rezultat se folesste relatia data de teorema generalizata a lui Pitagora

Polarizatia si refractia moleculara

Refractia este fenomenul e schimbare a directiei de deplasare unei raze de lumina la trecerea printr-o suprafata de separare dintre doua medii transparente diferite.

Indicele de refractie relative al celui de-al doilea mediu(raza refractata) fata de primul mediu(raza incidenta) este definita prin relatia :n21=sini/sinr

i=unghiul de incidenta

r=unghiul de refractie

Indicele de refractie poate fi influentata de urmatorii factori:

-temperatura si presiunea

-de lungimea de unda a luminii folosite

-natura substantei celor doua medii

-anizotropiamediilor in cazul substantelor cristaline

La solutii ,indicele de refractie depinde si de concentratia solutiei.Acest fapt poate fi folosit pentru determinarea concentratiei unei solutii de compozitie necunoscuta.In aces scop se determina indicele de refractie al solutiei la diferite concentratii si se traseaza curba n = f(c). Pentru o solutie de concentratie necunoscuta,determinandu-I indicele de refractie si folosind curba n = f(c), ii putem afla concentratia.

PROPRIETATI MAGNETICE ALE

SUBSTANTELOR

Magnetismul electronic

Susceptibilitatea magnetica:

Susceptibilitatea magnetica X reprezinta raspunsul substantei la actiunea campului magnetic extern,dfinindu-se ca raportul dinte valoarea magnetizarii(sub actiunea campului magnetic de intensitate H ) si intensitatea campului magnetic H.

Substantele respinse de un camp magnetic se numesc substante diamagnetice.Substantele atrase de un camp magnetic se numesc substante paramagnetice.

Susceptibilitatea magnetica secifica Xsp este definita prin expresia Xsp=Xvol/d, d fiind densitatea substantei.

Susceptibilitatea magnetica caracterizeaza comportarea substantelor intr-un camp magnetic.

Metodele de determinare a susceptibilitatii magnetice se bazeaza pe efectele magneto-mecanice respective pe fortele ce apar intre probe si magnet ce produce un camp magnetic exterior probei.

Momentul cinetic orbital si momentul

magnetic orbital

Momentul cinetic orbital este o marime cuantificata .In mecanica cuantica momentul cinetic orbital este cuantificat nu numai ca numar ci si ca directie Momentul cinetic este definit prin relatia :L=rxp

L- este momentul cinetic

r-este vectorul de pozitie al corpului

p-este impulsul corpului

Intr-un camp magnetic cinetic L avand o orientare cuantificata rezultata ca si momentul magnetic are fata de aceasta directie o orientare cuantificata

Efectul Zeeman

Despicarea sau largire a liniilor spectrale sub influenta unui camp magnetic datorata despicarii niveleor de energie ale atomilor care emit sau absorb radiatiie respective.

Daca directia vectorului coincide cu directia axei atunci energia potentiala de interactie magnetica va fi:    Δ Emag=-µz B=mµBB pentru ca in mecanica cuantica momentul magnetic este cuantificat si energia de interactiune magnetica este cuantificata.

Diamagnetismul

Diamagnetismul este proprietatea unui corp de a avea o magnetizare de sens contrar intensitatii campului magnetic care i se aplica.Diamagnetismul este o proprietate gerala a materiei.Daca in molecula unei substante toti electronii sunt cuplati doi cate doi,ei raman cuplati si in campul magnetic.Acest moment magnetic apare atata timp cat substanta este sub influenta campului si este opusul campului care l-a generat.Proprietati magnetice se intalnesc la gazelle rare si la ionii simpli care au configuratie electronica de gaz rar pe ultimul strat cum ar fi: Na⁺ Ca²⁺ ,Cl^- ,Br^- ,Zn²⁺ .

Diamagnetismul apare si la substante paramagnetice,paramagnetismul este cu mult mai mare decat diamagnetismul si de sens opus .El nu este influentat de temperature in timp ce paramagnetismul scade cu ridicarea temperaturii.

Paramagnetismul

Paramagnetismul este proprietatea corpurilor de a se magnetiza temporar in directia intensitatii locale a campului magnetic.

Paramagnetismul depinde de temperature deoarece orientarea moleculelor care au moment magnetic si atractia lor spre interiorul campului deci paramagnetismul scade cu cresterea temperaturii.El se intalneste rar,apare la substante care au orbitali cu electroni neimperecheati ,la moleculele de O₂,ClO ,NO.Mai sunt paramagnetici si atomii de halogeni,radicalii organici si majoritatea ionilor metalelor tranzitionale.

Feromagnetismul

Feromagnetismul este proprietatea unor metale de a fi atrase puternic de camp magnetic si de a capata astfel o magnetizare permanenta, intensa si de acelasi sens cu campul magnetic.

Feromagnetismul apare la acele substante care sunt atrase de un camp magnetic cu o intensitate mult mai mare decat substantele paramagnetice.Fierul este cea mai cunoscuta substanta feromagnetica.Proprietatile feromagnetice se intalnesc si la cobalt, nichel, ceriu, samarium, gadolinium precum si la unele utilaje.

Intr-u camp magnetic exterior slab aceste substante au o polarizatie magnetica puternica care se mentine si dupa disparitia campului magnetic aceste substante poarta numele de substante feromagnetice

Substantele feromagnetice :

-se magnetizeaza foarte puternic chiar si in camp magnetic exterior slab

-au paramagnetism mare manifest si in absenta campului magnetic exterior-spinii electronici necompensati sunt orientate intamplator in absensta campului,iar in camp magnetic se orienteaza paralel in directia liniilor de forta

-la cresterea intensitatii campului magnetic magnetizarea se apropie de o valoare constanta cand substanta devine magnet

-discontinuitatea in variatia susceptibilitatii magnetice cu temperatura:X scade cu cresterea temperaturii pana la temperature=punct Curie cand substanta se demagnetizeaza, racita sub punctul Curie substanta se remagnetizeaza devine iar feromagnetica .

Metamagnetism

Metamagnetismul este o forma specifica de magnetism prezentata de unele substante de exemplu elementele din familia pamanturilor rare care se manifesta in intervale limitate de temperatura aparand adesea ca stadiu de mijloc intre feromagnetism si paramagnetism.

Susceptibilitatea magnetica

-Susceptibilitatea magnetica constituie un criteriu de apreciere al aromaticitatii substantelor organice.Pentru substantele diamagnetice susceptibilitatea este o marime aditiv constitutive permitand aprecieri pentru aromaticitatea substantelor din diferentele dintre valorile susceptibilitatii magnetice determinate cu ajutorul constantelor Pascal.

-Susceptibilitatea magnetica permite determinarea gradului de disociere a unor substante in radicali liberi.

-Susceptibilitatea magnetica permite determinarea proportiilor deverselor gaze cu molecule paramagnetice.

Rezonanta electronica de spin(RES)

Un electron necuplat dintr-un atom poseda datorita rotatiei in jurul propriei sale axe un moment magnetic de spin si se comporta ca un magnet minuscule.

Fenomenul este comparabil cu orientarea acului unei busole in campul magnetic al pamantului .

Momentul magnetic al electronului intr-un camp magnetic nu poate adopta decat doua orientari opuse: una"paralela" si una "antiparalele".Cele doua orientari corespund unor energii diferite una joasa alta inalta.

Absorbtia se manifesta printr-o scadere a intensitatii radiatiei ce strabata substanta.Energia acestei radiatii este masurata prin transformarea ei de catre un detector intr-un impuls de current continuu ce este amplificat si condus la un instrument inregistrator.Metoda rezonantei electronice de spin este cu mult mai exacta si sensibila pentru detectarea electronilor necuplati in molecule si ioni decat metoda masurarii susceptibilitatii paramagnetice.

Magnetismul nuclear

Momente magnetice nucleare

Magnetismul nuclear este generat de miscarea de rotatie a nucleelor atomice in jurul unei axe.

Spinul nuclear este determinat de existenta protonilor si neutronilor in nucleu .Daca nucleele sunt alcatuite dinr-un numar pereche de protoni si de neutroni spinul nuclear este nul.

Nucleele alcatuite dintr-un numat nepereche de protoni sau neutroni au momente magnetice nucleare diferite de zero.

Principiul rezonantei magnetice nucleare (RMN)

Dintre toate metodele fizice, rezonanta magnetica nucleara (RMN) este aceea care ofera cea mai bogata si completa informatie structurala asupra compusilor organici.

Spectroscopia RMN se bazeaza pe fenomenul de trecere de la un nivel energetic pe altul (simultan cu inversarea spinului in raport cu campul magnetic exterior) atunci cand nucleul situat in camp magnetic este iradiat cu o sursa de radiatii electromagnetice de frecventa adecvata v. Tranzitia din orientarea paralela in cea antiparalela este insotita de absorbtia de energie electromagnetica.

Dezvoltata prin analogie cu rezonanta electronica de spin, rezonanta magnetica nucleara de inalta rezolutie, aplicata initial pentru studiul protonilor si extinsa ulterior pentru o serie de alti nuclizi: ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁷O etc., a devenit in prezent cea mai importanta metoda de studiu a structurii, configuratiei compusilor organici.

Magnetismul nuclear este caracterizat prin numarul cuantic de spin nuclear, care, spre deosebire de cel al electronului, poate avea valori diferite pentru nuclee diferit

Deplasarea chimica

Deplasarea chimica se exprima in report cu semnalul unei substante aleasa drept standard.Pentru protoni in moleculele organice se foloseste dept standard tetrametilsilanul.Aceasta substanta da un singur semnal RMN.

Deplasarea chimica se exprima de obicei prin diferenta de camp fata de tetrametilsilan raportata la intensitatea totala a campului.Din spectrul RMN al unei substante este posibilnca un prim rezultat sa se determine numarul protonilor cu vecinatati identice dintr-o molecula

A paratele de frecventa mai mare au o rezolutie mai buna. Consideram ca exemplu etanolul ,acest compus poseda trei feluri de protoni:cei din grupa metil, cei din grupa metilen si cei din grupa hidroxil.

Moleculele nesaturate tranzitia de rezonanta se produce la valori mai joase ale campului magnetic aplicat.

Ciclurile aromatice produc un efect de ecranare puternic.

Cuplarea spinilor nucleari

Cuplajul spin-spin se realizeaza intre protoni neechivalenti legati de acelasi atom de carbon sau atomi de carbon adiacenti.

Cuplarea spin-spin se transmite prin electronii de legatura Cuplajul nu apare intre protoni avand aceasi deplasare chimica.

Distanta dintre maximile benzilor inguste ale unui semnal RMN este o masura a interactiunii sau a gradului de cuplare a spinilor protonilor care produc acest semnal.Aceasta distanta este numita constanta de cuplare , J si se exprima in Hz.

Spectroscopia de masa

Spectroscopia este o stiinta care studiaza interactiunea dintre radiatiile electromagnetice cu materia.

Spectroscopia de masa este o metoda fizica de analiza care are drept scop determinarea precisa a meselor atomice ale izotopilor ,spararea acestora ,precum si o serie de alte investigatii ale substantelor organice.

Principiul metodei se bazeaza pe faptul ca ionii de diferite greutati dupa accelerarea intr-un camp electric

In spectroscopia de masa pot fi studiate numai particule gazoase supuse ionizarii in camere speciale de ionizre.Moleculele pot ceda surplusul de energie fie prin schimbarea configuratiei lor electronice fie prin radiatie.In cazul cand schimbarea configuratiei are loc prin pierdere de electroni se formeaza ioni moleculari pozitivi iar daca scimbarea configuratiei are loc prin castig de electroni se formeaza ioni moleculari negativi.