Starea de agregare

STAREA DE AGREGARE

Substantele difera intre ele prin proprietatile lor.

Proprietatile substantelor sunt determinate de natura particulelor ce le compun si anume: atomi; ioni; molecule si modul cum sunt aranjate aceste partiule precum si de natura legaturilor ce se stabilesc intre ele.

Substantele pot exista in trei principale stari de agregare: solida; lichida si gazoasa, in functie de conditiile de temperatura si presiune, la care se adauga a patra forma numita: plasma, intalnita in conditii specifice, in cosmos de exenplu in corpuri ceresti cum este si Soarele.

Starea de agregare a unei substante este determinata de doi factori opusi:

- tendinta de aglomerale a particulelor, - care la randul lor depinde de taria fortelor de atractie a particulelor, in final de proprietatile particulelor si de distanta intre ele;

- tendinta de miscare a particulelor, - care se datoreaza energiei cinetice pe care o poseda particulele. Cu cat energia cinetica este mai mare, particulele vor fi mai slab legate, se vor putea misca, vor fi mai mobile.

1.1. Starea solida.

In starea solida, particulele din care sunt constituite substantele [atomi, ionii sau moleculele] sunt strans unite intre ele, prin forte de atractie puternice, fiind imobilizate in pozitii fixe unele fata de altele, intr-un aranjament compact. Distantele intre particule sunt mici, acestea nu se pot deplasa liber, pot insa sa oscileze in jurul unor pozitii fixe. Au forma determinata si volum determinat.

1.1.1.     Forma cristalina.

Substantele care prezinta o aranjare ordonata a particulelor se numesc cristaline. Aranjamentul ordonat al particulelor intr-o retea geometrie regulata formeaza o retea cristalina. Se disting patru tipuri de retele: ionice, atomice, metalice si moleculare. Cristalele substantelor solide se pot vedea cu ochiul liber sau la microscop.

Substantele solide constituite din retele ionice au ca particule componente ioni pozitivi si ioni negativi, dispusi alternativ si ordonat in spatiu; acesti ioni au semn contrar si se atrag prin forte de natura electrstatica, ce constituie legatura ionica. Acest tip de legatura se intalneste la compusi formati din elemente cu caracter chimic opus: un metal [cedeaza electroni, ex. Na] si un nematal [capteaza electroni, ex. Cl].

Substantele cristaline sunt formate din cristale de diferite marimi, vizibile cu ochiul liber sau la microscop. Ex. NaCl, NaF, KBr, NaI, AgCl, s.a. Substantele ionice de forma clorurii de calciu [CaCl2], cu cei doi ioni cu sarcini neegale, au o structura cristalina mai complicata, dar perfect ordonata.

Substantele ionice nu sunt constituite din molecule; formula compusilor ionici indica raportul dintre ionii cu semn contrar din retea si nu reprezinta o molecula, ca in cazul compusilor covalenti.

Ionii poliatomici de tipul NH4+, NO3ˉ, SO4˛ˉ, sunt formati din mai multi atomi uniti prin covalente; in reteaua cristalina, ionii poliatomici sunt legati si ei de alti ioni, de semn contrar, prin forte de natura electrostatica.

Sub actiunea unei forte exterioare, prin lovire, un cristal ionic (a) se sfarama in cristale mai mici, deci este casant. Aceasta se explica prin faptul ca sub actiunea unei forte exterioare (b), planele de ioni se deplaseaza astfel incat la un moment dat ionii de acelasi semn din plane vecine se apropie mult unii de altii, iau nastere forte de respingere (c), care duc la spargerea cristalelor in particule mai mici. Schematic, reprezentat in felul urmator:

+ - + - + - + - + → + – + – + – + – ↑ + – + – + – + – ↑

- + - + - + - + - – + – + - + - + -

↓ + – + – + – + – ↓

a b c

Substantele ionice sunt solubile in solventi polari, de ex. apa, alcool etilic etc.

Conductibilitatea electrica. - In stare solida ionii ocupa pozitii fixe in cristal, datorita legaturii ionice [electrovalenta], care este o legatura puternica, fapt pentru care sub actiunea campului electric ionii nu se deplaseaza, astfel curentul nu trece prin cristale. In topitura sau in solutie, ionii parasesc pozitiile fixe din cristal, devin mobili, se misca liber si se pot deplasa spre electrozi; astfel devine posibila trecerea curentului electric.

In concluzie putem afirma ca marea majoritate a solidelor se gasesc sub forma de cristale. In esenta, un cristal este o aranjare repetata, regulata a particulelor din care este alcatuit.

Dupa natura particulelor si a legaturilor dintre ele, sunt mai multe tipuri de retele si anume:

-retele ionice: - particule: ioni

- legatura: ionica

- ex. NaCl, MgSO4

-retele covalente: - particule: atomi

- legatura: covalenta

- ex. diamant, siliciu

-retele metalice: - particule: atomi de metale

- legatura: metalca

- ex. sodiu, calciu, aluminiu

-retele moleculare: - particule: molecule sau atomi de gaze rare

- legaturi intre molecule:

-legaturi de hidrogen

-legaturi de dipol – dipol

-legaturi prin forte van der Waals

- ex. gheata, iod, sulf.

Multe substante cristalizeaza din solutiile lor apoase, la racire sau concentrare, sub forma de combinatii cristalizate numite hidrati continand apa de cristalizare.

Exemplificam:

Clorura de aluminiu hexahidrat, AlCl3 · 6 H2O

Sulfat de sodiu decahidrat, Na2SO4 · 10 H2O

Sulfat de cupru pentahidrat, CuSO4 · 5 H2O

Sulfat de magneziu septahidrat, MgSO4 · 7 H2O

Unele saruri cristalizeaza din solutiile lor apoase, la temperaturi diferite, cu un continut diferit de apa de cristalizare.

Exemplificam: clorura de calciu, CaCl2, formeaza cristale cu 6, 4, 2 si 1 H2O. Fiecare dintre acesti hidrati este stabil la un anumit interval de temperatura, cu atat mai inalt cu cat numarul de moleculade apa de cristalizare este mai mic.

Substantele care au proprietatea de a absorbii vapori de apa din atmosfera se numesc higroscopice. Astfel de substante sunt utilizate pentru a mentine o atmosfera uscata in recipiente inchise, numite exicatoare.

Cristalele de CaCl2 · 6 H2O, lasate la aer, continua sa absoarba apa, transformandu-se intr-o solutie concentrata de CaCl2. Asemenea substante se numesc delicvescente.

Substantele care expuse la aer pierd in parte sau in totalitate apa de cristalizare, se numesc substante eflorescente. Fenomenul are loc si fara interventia caldurii, chiar la temperatura camerei. Prin pierderea apei de cristalizare substanta devine mai concentrata.

Dintre substantele eflorescente mai des intrebuintate in farmacie exemplificam urmatoarele:

-sulfat de aluminiu cristalizat,

Al2(SO4)·18 H2O, care corespunde la un continut de 48,66 % apa

-sulfat de magneziu cristalizat,

MgSO4 · 7 H2O, care corespunde la un continut de 51,16 % apa,

-boraxul (tetraborat de sodiu) cristalizat,

Na2B4O7 ·10 H2O, care corespunde la un continut de 64.84 % apa,

-fosfatul monoacid de sodiu cristalizat,

Na2HPO4 · 12 H2O care corespunde la un continut de 60,35 % apa,

-sulfatul de sodiu cristalizat,

Na2SO4 · 10 H2O care corespunde la un continut de 55,95 % apa,

-sulfatul de zinc cristalizat,

ZnSO4 · 7 H2O care corespunde la un continut de 43,86 % apa,

-carbonatul de sodiu cristalizat,

Na2CO3 · 10 H2O care corespunde la un continut de 62,96 % apa.

1.1.2. Forma amorfa.

Substantele solide care nu prezinta o regularitate in privinta aranjarii interne a particulelor, se numesc amorfe.

Un numar redus de substante se prezinta sub forma amorfa.

Substantele amorfe au proprietati diferite de ale substantelor cristalizate si anume:

nu au forma regulata [au particule in stare de dezordine completa];

nu au punct de topire fix [trecerea de la solid la lichid se face intr-un intreg interval de temperatura, dependent de structura si marimea particulelor];

majoritatea sunt plastice, unele sunt elastice.

Ex. sticle anorganice pe baza de silicati; cauciucuri; mase plastice; ceara; hidrocarburi: de ex. parafina solida; derivati functionali cu functiune mixta: aminoacizi, proteine, zaharide.

1.2. Starea lichida.

La trecere din stare solida in cea lichida, particulele din miscari de vibratie trec in cea de translatie. Fortele de atractie intre particule sunt mai slabe; distantele intre particule sunt mai mari. Energia cinetica a particulelor unui lichid este mai mare ca a particulelor unui solid, de aceea particulele lichidului sunt mobile.   

Lichidele nu au forma proprie, dar au volum propriu.

La compusii organici starea lichida este cea mai frecventa stare de agregare.

Se intalneste starea lichida la:

- hidrocarburile alifatice ce contin intre 5 – 18 atomi de carbon [Paraffinum liquidum F.R.X, sinonim cu Ulei de parafina, ulei de vaselina, parafina lichida];

- arenele mononucleare [benzen];

- alcoolii si acizii monocarboxilici alifatici – pana la 9 atomi de carboni;

- majoritatea mononitroderivatilor si a aminelor.

Cele mai inalte puncte de fierbere le au alcoolii si acizii carboxilici, datorita gruparilor –OH, respectiv –COOH, care permit asocierea moleculelor prin legaturi de hidrogen.

1.3. Starea gazoasa.

In starea gazoasa energia cinetica a particulelor este mare, distantele intre particule sunt mari, iar fortele de atractie dintre acestea sunt slabe.

Particulele gazelor se misca liber, ocupand tot spatiul ce le sta la dispozitie.

Gazele nu au nici forma si nici volum propriu.

Starea gazoasa este specifica pentru substantele organice ca: hidrocarburi pana la 4 atomi de carbon; derivati halogenati inferiori; derivati fluorati; amine inferioare [metil, dimetil, trimetil amine, etilamina]; aldehida formica.

1.4. Plasma

Plasma este a patra stare de agregare a materiei, este un gaz ionizat, in a carui unitate de volum numarul ionilor pozitiv este egal cu cel al ionilor negativi. Plasma este cea mai raspandita forma a materiei, alcatuind 99% din intregul Univers.