Capitolul I NOŢIUNI FUNDAMENTALE

Click here to load reader

  • date post

    04-Oct-2021
  • Category

    Documents

  • view

    1
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Capitolul I NOŢIUNI FUNDAMENTALE

Chimie AnorganicaCapitolul I
NOIUNI FUNDAMENTALE
1.1. Materia.
Universul este format din materie, prezent sub dou forme: substan i
energie radiant.
Materia este în continu transformare.
Substana reprezint o form de existen a materiei cu o compoziie i
structur definit.
O anumit cantitate dintr-o substan sub o form i un volum oarecare,
reprezint un corp realizat din substana respectiv (de exemplu: dac
considerm ca substan - fierul, un cui reprezint un corp realizat din fier).
Substanele se clasific în substane pure i amestecuri.
Substana pur are o compoziie determinat, indiferent de modul de
obinere i are proprieti fizice constante (densitate, temperatura de topire, de
fierbere, lichefiere etc.), iar prin procedee fizice obinuite, nu poate fi
descompus în alte substane.
În natur, în cele mai multe cazuri, substanele nu sunt pure, ci impure,
adic conin i alte substane denumite “impuriti “.
Purificarea substanelor impure poate fi realizat prin diferite procedee,
funcie de starea de agregare: filtrare, decantare, distilare, evaporare, cristalizare.
Substanele pure pot fi:
- substane simple, care prin metode chimice nu pot fi descompuse în alte
componente - cu caracter de metal ( cupru, sodiu, calciu, fier), cu caracter de
nemetal (oxigen, azot, clor, sulf, carbon)) sau cu caracter de metal i nemetal
(stibiu, arsen);
- substane compuse (denumite i combinaii) care rezult din combinarea a
dou sau mai multe substane simple i pot fi descompuse în substanele din care
s-au obinut ( sulfat de sodiu, sulfur de fie, carbonat de calciu).
Amestecurile sunt formate din diferite cantiti de substane diferite,
putând fi omogene sau eterogene.
Amestecul omogen are aceleai proprieti în tot volumul su (de exemplu:
soluia de zahr), spre deosebire de amestecul eterogen (de exemplu: laptele).
În amestecuri, fiecare substan component îi pstreaz proprietile
specifice (de exemplu: amestecul de pilitur de fier i sulf). În anumite condiii,
de exemplu , sub aciunea cldurii, dintr-un amestec de dou sau mai multe
substane se formeaz una sau mai multe substane cu proprieti diferite de cele
ale componentelor; înseamn c a avut loc o transformare chimic (reacie
chimic), iar rezultatul este o combinaie chimic (de exemplu: prin înclzirea
amestecului de pilitur de fier i sulf se obine sulfura de fier).
1.2. Transformrile materiei
Transformrile materiei au loc prin micare, care reprezint o form de
existen a materiei. Fenomenele care au loc în univers se datoreaz
diferitelor tipuri de micare a materiei: mecanic, fizic, chimic, biologic, ce
constituie obiectul de studiu a diferitelor ramuri ale chimiei. Micarea mecanic
a materiei reprezint deplasarea unui corp în spaiu; micarea fizic const în
micarea moleculelor (cldura); micarea fotonilor cauzeaz lumina, micarea
electronilor –electricitatea; micarea chimic const în cedarea i acceptarea de
electroni ai atomilor; micarea biologic reprezint o form complex de
micare a materiei vii ( organisme vegetale, animale).
Chimia este tiina fundamental care studiaz materia i transformrile
sale.
Transformrile suferite de materie pot fi de natur fizic sau chimic.
2
Prin transformrile fizice (fenomene fizice) se modific proprietile
fizice ale materiei, fr a rezulta substane noi, pe când transformrile chimice
(fenomenele chimice) modific proprietile chimice ale materiei, ducând la
apariia de substane noi.
Chimia studiaz starea general, compoziia, structura, obinerea,
proprietile i tranformrile substanelor, cauzele i legile dup care au loc
acestea din urm. Chimia cuprinde dou mari domenii: chimia organic în
cadrul creie se studiaz materia alctuit din compuii carbonului (hidrocarburi
i derivaii acestora) i chimia anorganic care studiaz subtanele care nu
conin carbon, cu excepia unor compui simpli ai carbonului (oxizi, carbonai,
carburi).
de studiu i cercetare a ramurilor chimiei:
- chimia fizic – studiul proprietile fizice ale substanelor i relaia
dintre energie i transformirile chimice;
- electrochimia- studiul reaciilor chimice, ca urmare a efectului
electricitii i a reaciilor chimice însoite de fenomene electrice;
- fotochimia – studiul proceselor chimice produse sub influena luminii;
- radiochimia – studiul proprietilor subtanelor radioactive;
- chimia analitic – identificarea i determinarea cantitativ a
elementelor compomnente ale substanelor;
nucleare i a atomilor obinui prin reacii nucleare;
- chimia industrial – studiul obinerii substanelor chimice la scar
industrial ( procedee, instalaii i tehnologii industriale);
- chimia biologic (biochimia) – studiul mecanismelor în organismele
vii;
domeniul agriculturii (cultura, creterea plantelor);
3
Chimia studiaz compoziia substanelor compuse, prin doua metode
fundamentale:
componentele din care este alctuit ( determinarea identitii i /sau a
cantitii fiecrui component);
din care trebuie format.
În natur, substanele simple se gsesc în stare liber, dar în compoziia
substanelor nou formate, ele devin elemente chimice.
1.2.1. Transformrile fizice
Strile de agregare ale materiei
În anumite condiii de temperatur i presiune, substana se afl într-o
stare fizic denumit stare de agregare.
În condiii obinuite, materia poate exista în trei stri de agregare: solid,
lichid, gazoas, determinate de tendina de apropiere i respectiv, de împrtire
a particulelor componente.
- materia are form i volum propriu; particulele componente (atomi, ioni,
molecule) au energie cinetic redus i sunt strâns unite datorit unor fore de
atracie puternice;
- relaia dintre masa, volumul i densitatea caracteristice subtanei solide este:
m = V · ρ
Starea lichid
- materia are volum propriu i ia forma vasului în care se afl; nu au form
proprie (apa, laptele, vinul) datorit forelor de atracie mai slabe dintre particule
decât în cazul substanelor solide;
- relaia dintre masa, volumul i densitatea lichidului este:
m = V · ρ
- materia nu are volum i form proprie;
- particulele componente au o mare mobilitate i ocup volumul vasului în care
se afl ( gaz metan, oxigen, oxid de carbon);
Plasma
- forma a materiei care exist numai în condiii de temperatur înalt:
- este un gaz ionizat format din atomi, ioni, electroni, i fotoni ce formeaz un
amestec neutru din punct de vedere electric (flacra, fulgerul, stelele, Soarele);
- se gsete în proporie de 90% în univers.
În anumite condiii normale de temperatur i presiune, o substan se
poate afla în una din strile de agregare: solid, lichid sau gazoas.
Transformrile de stare ale substanelor pot fi reprezentate scematic,
astfel:
Sublimare
Topirea reprezint trecerea unei substane din starea solid în starea
lichid, prin absorbie de cldur, procesul invers, fiind denumit solidificare.
Vaporizarea este trecerea substanei din starea lichid în stare gazoas
prin absorbie de cldur i poate fi realizat prin evaporare sau fierbere;
procesul invers este condensarea.
Lichefierea este procesul de trecere a unei substane gazoase în stare
lichid la temperatur obinuit, dar sub aciunea presiunii.
Sublimarea const în trecerea unei substane din starea solid direct în
stare de vapori.
1.2.2. Transformrile chimice
structur, proprieti fizice i chimice diferite de cele ale substanelor iniiale.
Reaciile chimice sunt de diferite tipuri:
- reacii de combinare a dou substane sau mai multe substane (reactivi) din
care rezult o nou substan (produs de reacie):
A + B = A B
- reacii de descompunere a unei substane în dou saumai multe substane noi:
AB = A + B
- reacii de substituie prin care un element înlocuiete un alt element din alt
compus chimic:
A B + C → A C + B
- reacii de dublu schimb în care elementele unui compus binar înlocuiesc câte
un alt element din cellat compus binar, rezultând doi noi compui chimici:
A B + C D → A C + B D
6
1.3. Compoziia chimic a materiei
În natur, elementele chimice se gsesc fie sub form de substane libere
simple (hidrogenul, clorul, oxigenul, sodiul), fie sub form de substane
compuse (carbonai, azotai, sulfai, apa).
În scoara pmântului (litosfera), înveliul apos (hidrosfera) i înveliul
gazos al pmântului (atmosfera), elementele predominante din natur, sunt:
oxigenul(50%), siliciul (25%), precum i aluminiul, fierul, calciul, sodiul,
potasiul, magneziul, hidrogenul, titanul, clorul i fosforul ( cca. 25%).
1.3.1.Compoziia chimic a materiei vii
Ca urmare a procesului de evoluie, materia vie, vegetal i animal, are o
compoziie chimic deosebit de complex, cu forme diverse determinate de
coninutul de ap i de substan uscat constituit din:
- substane organice: glucide, protide, acizi nucleici, enzime, vitamine, lipide,
hormoni, fitohormoni, pigmeni, lignine, taninuri, terpenoide,
alcaloizi;
oligoelemente i microelemente.
esuturile vegetale i animale conin cca. 60 de elemente chimice, din
care un numr de 12 elemente constituie 99% din materia vie, denumite
macroelemente, plastice sau de constituie, i anume: carbon, hidrogen, oxigen,
azot, fosfor, sulf, clor, potasiu, sodiu, calciu, magneziu, siliciu.
Alte 20 elemente chimice reprezint 0,27% din substana uscat a materiei
vii, reprezint categoria de microelemente (oligoelemente), printre care: fluor,
fier, zinc, cupru, mangan, cobalt, titan, bor, iod, plumb, staniu, molibden.
Elemente chimice se regsesc în cantiti extrem de mici,
microelementele, reprezint un procent de aprox. 0,074% din materia vie.
Elementele minerale din organismele vii sunt denumite bioelemente,
majoritatea fiind asociate sub form de biomolecule. Funcie de tipul
7
elementelor chimice care reacioneaz între ele sau cu alte substane, se
formeaz biomolecule anorganice sau organice, cu proprieti diferite de cele
ale componentelor. În tabelul 1 este prezentat procentual, coninutul
principalelor biomolecule în organismele vegetale, animale i a organismului
uman.
organismele vegetale, animale i organismul uman.
Clasa de compui
Plante Animale Om A Biomolecule anorganice 77,5 64,3 64
Apa 75 60 60 Compui minerali 2,5 4,3 4
B Biomolecule organice 22,5 35,7 36 Glucide 18 6,2 1 Lipide 0,5 11,7 15 Protide 4 17,8 20
În organismele animale i vegetale predomin patru elemente chimice,
denumite elemente cuaternare: oxigen, carbon, hidrogen i azot, care reprezint
96,2% din masa organismelor vii.
În tabelul 2 este prezentat coninutul procentual al elementelor cuaternare
din plante i animale:
Tabelul 2. Coninutul procentual al elementelor cuaternare în plante i animale.
Element: C O H N Organism
Plante 54 38 7 0,03 Animale 21 62 10 3
În tabelul 3 este prezentat coninutul în procente a biomoleculelor în
lumea vie, iar în tabelul 4, rspândirea elementelor chimice în litosfer i
respectiv, în organismul uman.
Elemente Coninut % Separat Pe grupe
8
O 66 C 17,6 H2 10,2 96,2 N 2,4 Ca 1,6 P 0,9 99,73 K 0,4 3,53 Na 0,3 S 0,2
Mg 0,05 Cl 0,08
Si,Br 0,27
Tabelul 4. Rspândirea elementelor chimice în litosfer i în organismul uman.
Scoara terestr Organismul uman Element
chimic Coninut %
Element
chimic Coninut % O 47 H 63 Si 28 O 25 Al 9 C 9,5 Fe 4,5 N 1,4 Ca 3,5 Ca 0,31 Na 2,5 P 0,22 K 2,5 Cl 0,08 Mg 2,2 K 0,06 Ti 0,46 S 0,05 H 0,22 Na 0,03 C 0,19 Mg 0,01
În materia vie, carbonul reprezint 37-50% din substana uscat.
Hidrogenul este elementul cu cea mai mare rspândire ca numr de atomi;
oxigenul este singurul element care ptrunde în esuturile plantelor i animalelor
sub form de molecule gazoase sau dizolvate în ap, iar azotul este prezent în
procent de 73,3% în esuturile vegetale i animale prin gruparea amino ( – NH2 )
a aminoacizilor.
Apa reprezint un component vital al organismelor vegetale, animale i al
organismului uman. Organismul unui adult conine pân la 70% ap, iar a unui
copil, pân la 87% din greutatea corpului.
9
Alimentele sunt definite ca substane sau produse, procesate,
semiprocesate sau neprocesate ce pot fi ingerate de ctre oameni.
Alimentele contribuie la desfurarea metabolismului uman, fiind formate
din substane organice i anorganice de provenien i în proporii diverse, fie c
reprezint materii prime agroalimentare, fie produse prelucrate.
inand cont de proveniena natural sau de procesare, componetele
alimentelor se clasific în urmtoarele categorii:
A. substane native: componente anorganice (apa, srurile minerale, acizi
anorganici, substane minerale), componente organice (glucide, lipide,
substane azotate-proteice i neproteice, acizi organici, vitamine,
enzime);
organoleptizante, consrevani, antioxidani etc);
produsele alimentare sau datorit polurii mediului (aer, ap, sol).
1.3.3. Substane chimice native anorganice (substane minerale)
din alimente
1.3.3.1. Clasificare
acestea se clasific în :
b) microelemente (mg/100g produs) denumite i oligoelemente: fierul, iodul,
manganul, cuprul, zincul, cobaltul, bariul, molibdenul, siliciul, fluorul etc.;
10
natural (radiu, toriu etc).
Funcie de rolul lor în metabolismul uman, substanele chimice native
anorganice din alimente (substanele minerale), sunt considerate:
a) eseniale
clor, magneziu, fosfor, potasiu, sodiu, sulf;
- microelemente, în concentraie mai mic de 1%: crom, cobalt, cupru,
fluor, iod, fier, manngan, molibden, seleniu, siliciu, zinc;
b) posibil eseniale: bariu, brom, nichel, stroniu, staniu, vanadiu;
c) substanele de contaminare, în cantiti infime: plumb, aluminiu, aur,
argint, bismut, galiu.
Coninutul de substane minerale din produsele alimentare este determinat
prin analiza chimic a coninutului de cenu, obinut prin calcinarea probei de
analizat, i anume: a) coninutul global de substane minerale al produsului din
cenua total sau brut; b) coninutul de substane minerale native sau
incorporate, din cenua solubil în HCl 10% sau cenua net; c) impuriti,
materii necomestibile (nisip, pietri, pmânt) din cenua insolubil în HCl 10%.
De exemplu, seminele de cereale conin substane minerale în cantiti
importante ( tabelul 5).
Tabelul 5. Coninutul mediu în substanele minerale i în cenu la unele cereale, procente
substan uscat
Continutul mediu în % substan uscat Specia
P2O5 SO3 K2O Na2O CaO Cl SiO2 Cenusa Grâu 0,78 0,01 0,52 0,03 0,05 0,01 0,02 1,68 Secar 0,85 0,02 0,58 0,03 0,05 0,01 0,03 1,79 Orz 0,56 0,95 0,28 0,07 0,91 0,49 1,7 Ovz 0,68 0,05 0,48 0,04 0,1 0,03 1,05 2,68 Porumb 0,57 0,01 0,37 0,01 0,03 0,02 0,03 1,24
11
Substanele minerale existente în legume i fructe determinate din cenua
rezultat dup incinerare, sunt bazice ( oxizi de sodiu, potasiu, calciu, magneziu,
fier), acide ( oxizi de sulf, carbon, siliciu, fosfor), sau microelemente ( cupru,
zinc, mangan, aluminiu, titan, bor). În tabelul 6 sunt prezentate câteva elemente
chimice din unele specii de fructe i legumel proaspte.
Tabel 6. Coninutul de elemente minerale ale unor specii de fructe i legume, în mg, la 100g material
proaspt.
Specia K Na Ca Mg Fe P Banane 380 3 7 35 0,6 30 Capsuni 155 5 30 13 0,7 25 Cirese 250 3 18 12 0,4 21 Mere 120 2 5 5 0,3 10 Pere 130 3 9 7 0,4 9 Piersici 230 3 6 10 0,4 20 Portocale 187 3 43 12 0,4 22 Prune 250 3 14 9 0,4 18 Struguri 250 6 10 10 0,6 Ceapa 128 26 31 7 0,5 12 Castraveti 174 13 20 11 0,1 12 Fasole 215 10 43 31 0,5 11 Gulii 337 55 90 47 0,5 55 Morcovi 226 116 59 19 0,7 21 Mazare boabe 321 22 33 43 1,4 62 Spanac 742 70 130 57 3,1 82 Salata 321 58 108 39 4 21 Tomate 316 125 43 51 0,6 20 Telina 337 131 16 33 0,3 26 Varza alba 475 31 50 24 0,6 47
În tabelul 7 este prezentat coninutul total de substane minerale exprimat
în procente care se observ c variaz între 0,3 i 2,6% .
Tabelul 7. Coninutul mediu în substane minerale totale ale fructelor i legumelor, la 100g material
proaspt
Specia Subst.minerale % Specia Subst.minerale % Afina 0,32 Mure 0,65 Agrise 0,45 Pere 0,33 Alune 2,5 Piersici 0,45 Ananas 0,39 Portocale 0,48
12
Banane 0,83 Prune 0,49 Caise 0,66 Smochine 0,7 Castane 1,18 Struguri 0,48 Capsuni 0,5 Visine 0,49 Cirese 0,5 Zmeura 0,51 Coacaze negre 0,8 Ardei 0,6
Coacaze rosii 0,63 Castravet i 0,44
Grape fruit 0,4 Cartofi 0,99 Gutui 0,44 Ceapa 0,58 Lamai 0,5 Conopida 0,85 Mandarine 0,7 Dovlecei 0,85 Mere 0,32 Fasole pastai 0,89 Migdale 2,6 Gulii 0,99 Nuci 1,98 Mazare verde 0,92 Marar 2,42 Morcovi radacini 1,02 Patlagele vinete 0,54 Patrunjel 2,4 Patrunjel radacini 0,9 Praz 1,15 Ridichi de luna 0,95 Ridichi de iarna 1,6 Spanac 1,52 Sparanghel 0,67 Salata 0,72 Tomate 0,57 Usturoi 1,18 Telina radacini 0,9 Varza alba 0,75 Varza rosie 0,77 Varza Bruxelles 1,28
1.3.3.3. Coninutul de ap din alimente
Coninutul de ap din alimente determin calitatea alimentelor i de
asemenea, influeneaz proprietile i stabilitatea acestora.
Apa din alimente se gsete sub dou forme: ap liber i ap legat.
Apa liber exist în organismele vii, sub form de soluii ale substanelor
solubile din sucul celular sau intercelular, în micro- i macrocapilare. În plus,
datorit higroscopicitii componentelor hidrofile, alimentele conin apa
higroscopic. Apa liber poate fi îndeprtat uor din produsele alimenzare prin
stoarcere, uscare, fr modificarea major a celorlali componeni ai alimentelor.
Apa legat poate fi fixat în produsele alimentare, prin legturi fizice în
microcapilare i prin legturi fizico- chimice în macromolecule, datorit
13
aminice –NH2 , amidice –CONH2 , formând soluii coloidale. Eliminarea apei
legate din alimente se face greu, dar dac se îndeprteaz în cantiti mari, au loc
un procese ireversibile, cum sunt: pierderea capacitii alimentelor de
rehidratare, denaturarea proteinelor,degradarea soluiilor soluiilor coloidale,etc.
Alimentele proaspete au valori diferite ale coninutului de ap, i anume :
- carne 55- 74% ( carne de vit 60-75%, carne de porc 50-
73%, carne de pui 67-72%)
- pete 62-845
- lapte 87-91%
75,9%, castravei - 95,36%)
floarea soarelui – 8,58%)
- amidon 13-20%
Între moleculele de ap din mediu înconjurtor i moleculele de ap din
alimente exist un schimb permanent pân se atinge un echilibru (umiditatea
relativ de echilibru) valoare caracteristic fiecrui tip de produs.
Capitolul II
În natur se observ transformarea substanelor având ca rezultat apariia
de noi substane. Poate exista impresia c unele substane dispar, îns
transformrile chimice conduc la substane noi.
În realitate, materia nu se poate crea i nici distruge.
În secolul al XVIII-lea, ca urmare unor experiene de oxidare a metalelor,
M.V.Lomonosov a fcut observaia c „toate schimbrile care se produc în
univers se întâmpl în aa fel, încât atâta cât se ia de la un corp tot atât se va
aduga la alt corp”.
substanelor intrate în reacie este egal cu suma greutilor (maselor)
substanelor obinute prin reacie”.
Legea conservrii masei poate fi enunat i astfel:” la toate procesele
chimice, masa total a substanelor participante la aceste procese rmâne
constant”
Întrucât energia este o a doua form de existen a materiei, ea se poate
transforma i trece de la un obiect la altul. Corelaia dintre mas i energie este
exprimat prin relaia lui Einstein:
E = m · c2
unde E este energia, exprimat în erg, m reprezint masa (g), iar c este viteza
luminii (cm/s).
În secolul al XX-lea, A. Einstein a demonstrat c masa se poate
transforma în energie radiant, iar legea conservrii masei se aplic atât masei
materiei, cât i masei energiei din sistem. În laborator, legea poate fi
demonstrat în cazul reaciilor chimice obinuite, neputând fi demonstrat dac
procesul chimic transform masa în energie radiant sau energia radiant în
mas.
15
Combinarea elementelor chimice ce formeaz o substan, are loc dup
anumite reguli, de exemplu, indiferent de proporia dintre componentele unui
amestec de gaze, ele reacioneaz întotdeauna în raport de volume (cantiti
strict determinate), pentru a forma aceeai substan.
De exemplu:
2 vol. H2 + 1 vol. O2 (raport 2:1)
- hidrogenul i clorul pentru formarea acidului clorhidric:
1 vol. H2 + 1 vol. Cl2 (raport 1:1)
În secolul al XVIII-lea, L.J.Proust a enunat Legea constanei compoziiei
(legea proporiilor definite sau legea proporiilor constante): „orice compus
chimic conine totdeauna aceleai elemente combinate în aceleai proporii de
mas”.
2.3. Legea proporiilor multiple
S-a observat c unele substane simple se combin între ele pentru a forma
combinaii în diferite raporturi masice.
De exemplu, pentru formarea apei, hidrogenul i oxigenul se combun în
raport masic de 1:8, iar pentru formarea apei oxigenate, în raport de 1:16; deci
cantitile de oxigen din ambele combinaii se gsesc în raport de 8 : 16 sau 1: 2.
În cazul oxiziilor de azot, raporturile masice în care se combin azotul i
oxigenul, sunt urmtoarele:
Monoxid de azot 14:16
Trioxid de azot 14:24
Bioxid de azot 14:32
Pentoxid de azot 14:40
Raporturile în care se gsesc cantitile de oxigen cu care se combin
azotul în cazul celor cinci oxizi, sunt 8:16:32:40 sau 1:2:3:4:5
La începutul secolului al XIX-lea, Dalton a enunat legea proporiilor
multiple: „dac dou substane simple se combin pentru a forma mai multe
substane compuse, diferitele mase ale uneia substanele simple care intr în
combinaie cu o mas dat din cealat substan simpl, se gsesc între ele în…