Chimie aplicată în inginerie

Corelații între structura substanțelor și proprietățile chimice

Chimia s-a consacrat încă din cele mai vechi timpuri ca o știință a naturii. Fenomenele chimice, adică acele transformări ale materiei care au la bază modificarea naturii substanțelor inițiale, s-au manifestat pe Terra înainte de apariția primelor forme de viață. Omul, descoperitorul focului și a primelor metode de extragere și prelucrare a metalelor în societatea primitivă, este beneficiarul acestor transformări pe care le-a cunoscut pas cu pas, le-a dezvoltat la început intuitiv ca apoi, începând cu secolul al XVIII-lea să le explice pentru a le stăpâni și a le dezvolta în folosul individual sau al comunității. Astfel, ceea ce susținea filosofia antică greacă prin Democrit, s-a coagulat sub forma unor legi universal valabile care demonstrează că între structura substanțelor chimice și comportarea acestora există corelații astfel încât „Nimic nu se face întâmplător, ci totul dintr-o cauză și în mod necesar”.

1.1. Structura substanțelor chimice

Materia este realitatea obiectivă care ne înconjoară și care acționează asupra simțurilor noastre. Deși o percepem și multe din formele de manifestare ale materiei se folosesc ca atare sau sunt transformate prin diferite procedee sau tehnici în folosul omului, materia există în afara și independent de conștiința noastră. Este de fapt o categorie filosofică definită realitatea obiectivă care există independent de conștiință și este reflectată de aceasta.

Materia are trei proprietăți fundamentale: spațiu, mișcarea și timpul. Acestea sunt interdependente: nu există mișcare fără timp, spațiu fără mișcare după cum nu există spațiu fără timp. Timpul este ireversibil și nu avem puterea de a-l controla; el poate fi „formă sau structură a existenței” (L. Blaga, Din duhul eresului).

Aspectele concrete sub care se prezintă materia sunt substanțele chimice: apa, hidrogenul, cărbunele, amoniacul, oxigenul, metanul, etc. Definim substanța ca fiind o varietate omogenă de materie cu compoziție chimică definită - constantă și invariabilă [1]. Noțiunea de substanță nu este echivalentă cu noțiunea de corp (sau obiect) acesta fiind o cantitate de materie cu formă și volum bine determinat, constituit din substanțe. De exemplu, la un inel de argint, inelul este corpul iar argintul este substanța.

Substanțele chimice pot fi simple (sau elementare) sau pot fi substanțe compuse. Diferența dintre cele două tipuri de substanțe o face numărul de elemente componente ale acestora: substanța simplă este alcătuită dintr-un singur element în timp ce substanța compusă este alcătuită din mai multe elemente. se poate defini substanța ca un ansamblu de particule (atomi, cationi, anioni, molecule), care stabilesc interacțiuni între ele. O clasificare a substanțelor este redată în fig. 1.1.

O noțiune foarte utilizată este compusul chimic care este alcătuit din grupe de mai mulți atomi ce sunt uniți prin legături chimice. Caracterizat prin prisma unei abordări macroscopice, compusul chimic este reprezentat de substanță, în care atomii unuia sau mai multor elemente se leagă unul de altul respectând un raport masic precis (stoechiometric). Atomii pot fi de aceeași specie (compus mononelementar) cu exemplificare oxigenul O2, fosforul alb P4, azotul N2 sau de specii diferite (compus polielementar) dintre care se pot aminti hidrogenul sulfurat H2S, etanolul C2H5-OH.

Elementele chimice sunt substanțe simple formate dintr-o singură specie de atomi. Elementul chimic reprezintă o specie de atomi cu aceeași sarcină nucleară, deci același număr atomic Z. Spre exemplu, toți atomii elementului carbon au un număr de 6 sarcini nucleare iar aurul 79.

Fig. 1.1. Clasificarea substanțelor

Deși numărul combinațiilor chimice este deosebit de mare, numărul de elemente din care sunt constituite este redus: se cunosc 109 elemente din care în natură se regăsesc 92 restul fiind obținute în condiții speciale în laborator. Abundența elementelor în natură a fost studiată prin metode specifice geochimiei și este reprezentată mai jos [6]:

Fig. 1.2. Diagrama abundenței

Abundența elementelor în scoarța terestră se referă în primul rând la învelișul superficial al globului pământesc, în grosime de cca. 16 km, denumit litosferă, incluzând și părțile inferioare al atmosferei până la înălțimea de 70 km și întreaga hidrosferă. Aceasta este principala resursă de materii prime și materiale pentru activitățile umane. Exploatarea fără discernământ a acestora pune în pericol existența generațiilor viitoare. De aceea, în ultimele două decenii, s-au amplificat acțiunile legate de dezvoltarea durabilă a omenirii ca o dezvoltare care urmărește satisfacerea nevoilor prezentului, fără a compromite posibilitățile generațiilor viitoare de a-și satiaface propriile nevoi.

1.1.1. Atomi și molecule

Materia este discontinuă ceea ce înseamnă că este alcătuită din particule. Filosofii greci Leucip și Democrit au elaborat diferite concepții asupra alcătuirii naturii, bazate pe ideea că aceasta este alcătuită din atomi, particule foarte mici, impenetrabile, în mișcare permanentă, în mișcare permanentă, cu forme și proprietăți variate (atomos, în limba greacă înseamnă indivizibil).

Ipoteza a supra discontinuității materiei a fost reluată și dezvoltată mult mai târziu, în secolele al XVIII-lea și al XIX-lea, când transformările chimice au fost studiate cantitativ și s-au conturat legile care conduc aceste transformări (legea conservări materiei, legea proporțiilor definite, legea proporțiilor multiple). S-a reconfirmat faptul că atomul reprezintă cea mai mică parte a unui element chimic capabil să intre în combinații cu alți atomi.

Datorită ipotezei lui Avogadro și generalizării lui Cannizzaro se poate face diferența dintre atom și moleculă:

- atomul este cea mai mică particulă dintr-un element care păstrează proprietățile fizice și chimice ale acestuia; mișcarea atomilor condiționează fenomenele chimice;

- molecula este cantitatea cea mai mică de substanță care poate exista în stare liberă și care păstrează proprietățile substanței respective; mișcarea moleculelor condiționează fenomenele fizice.

Sistemul chimic reprezentat prin atom este un sistem integral, alcătuit din:

- nucleul care se află în centrul atomului și are concentrată întreaga sarcină pozitivă și aproape toată masa atomului;

- electronii care se rotesc în jurul nucleului, au sarcină negativă și masă aproape neglijabilă. Nucleul este partea centrală a atomului cu dimensiuni de ordinul 10-15m (comparativ cu dimensiunile atomului care sunt de 10-10m). Masa atomului este concentrată în nucleu.

Cea mai simplă concepție despre nucleu este aceea că el conține numai două tipuri de particule elementare care ar putea exista „independent”: protoni și neutroni, a căror masă este:

mp=1,007276 u.a.m.

mn=1,008665 u.a.m.

unde: mp este masa protonului

mn =masa neutronului

u.a.m.= unitate atomică de masă = 1,66∙10-27kg.