Chimia Mediului

Chimia mediului se ocupă cu principalii compuşi anorganici şi organici care sunt implicaţi în ciclurile biogeochimice naturale şi discutarea cauzelor de întrerupere a acestora.

Creşterea populaţiei în lume şi creşterea speciilor chimice, sunt factori care au produs atât global, cât şi local schimbări de condiţii, ale mediului înconjurător.

Problema „gazelor de seră”, de exemplu, (greenhouse gases), distrugerea ozonului şi creşterea stratului de poluanţi atmosferici, sunt cele mai cunoscute efecte negative ale acestor schimbări de mediu. O altă problemă este persistenţa compuşilor organici, care au efecte nocive asupra elementelor unui ecosistem.

Coroborarea teoriilor chimice fundamentale cu proprietăţile elementelor chimice majore şi minore ale materiei, face posibilă cunoaşterea principalelor fenomene în urma cărora pot rezulta noxe.

O definiţie a chimiei mediului a fost definită de O’Neill în 1993 care stabilea „studiul rolului elementelor chimice în sinteza şi descompunerea naturală a materiei, de orice tip, incluzând schimbările datorate activităţii antropice”

Alterarea rocilor cu formare de soluri, înţelegerea mobilizării chimice a plantelor şi reîntoarcerea elementelor prin moartea plantelor, în sol, trebuiesc înţelese ca un ciclu biogeochimic, care implică interacţiuni biologice, geologice şi chimice.

Reacţiile chimice mai implică şi schimbarea configuraţiilor învelişului electronic al atomilor implicaţi în reacţie. Plumbul emis pe coşurile uzinelor metalurgice, sedimentat în apă, se va dizolva încet , prin cedare de electroni, şi va intra sub formă de plumb ionic Pb2+ în apa râurilor, cu efecte extrem de nocive asupra vieţii animale şi umane.

Pbsolid → Pb2+soluţie+ 2ē

Există o infinitate de posibilităţi de combinare între atomi şi molecule, rezultând substanţe, diferite ca proprietăţi fizice şi chimice.

Substanţele pot fi clasificate ca fiind simple [N2(g), H2(g), O2(g)], sau compuse [HCl(g); H2O(l)].

Substanţele respective se constituie în molecule, care şi acestea pot fi formate din aceeaşi specie atomică sau din specii diferite.

Aşadar, substanţele sunt specii materiale unitare caracterizate prin: omogenitate şi compoziţie constantă.

După compoziţia chimică substanţele se împart în: substanţe elementare (elemente) şi combinaţii chimice.

Noţiunea de substanţă simplă este distinctă de noţiunea de element chimic.

Substanţele elementare sunt formate din aceleaşi specii de atomi şi nu se pot

transforma prin metode chimice şi fizice obişnuite în substanţe mai simple. Se cunosc până în prezent 108 elemente, dintre care 92 identificate în natură, iar celelalte obţinute pe cale artificială.

Elementele chimice (elementum din latină, semnifică component al materiei) sunt specii ale materiei, formate din atomi, caracterizate printr-un anumit număr atomic Z.

Savantul rus D.I.Mendeleev (1869) ţinând seama de legătura dintre proprietăţile fizice şi chimice ale elementelor chimice şi maselor lor atomice, a reuşit să enunţe legea periodicităţii astfel: „proprietăţile fizice şi chimice ale elementelor, cum şi ale compuşilor acestora se găsesc într-o dependenţă periodică de masele lor atomice”.

Mai târziu, Bohr şi Moseley, pe baza cercetărilor privind structura atomului au formulat legea periodicităţii astfel: „proprietăţile fizice şi chimice ale elementelor şi ale

combinaţiilor formate de ele sunt funcţii periodice de sarcinile nucleelor atomice ale

elementelor”.

Locul fiecărui element în sistem este desemnat prin numărul de ordine Z care se mai numeşte şi număr atomic.

Studiind configuraţiile electronice ale atomilor în sistemul periodic, s-a remarcat faptul că singurele configuraţii atomice stabile, care nu tind să se modifice, sunt cele ale gazelor inerte. Toate celelalte configuraţii atomice tind către stări similare, adică tind să dobândească configuraţii având toţi electronii cuplaţi.

Neavând la dispoziţie electroni necuplaţi cu spin antiparalel în propria configuraţie, atomii îşi cuplează electronii cu electroni necuplaţi cu spin opus de la parteneri cu care rămân apoi într-o relaţie de interdependenţă numită legătură chimică.

Lewis şi Kössel (1916) consideră că atomii elementelor care au pe ultimul strat

electronic un număr incomplet de electroni, au o configuraţie chimică instabilă şi deci,

manifestă tendinţa de a-şi completa stratul exterior prin transfer de electroni (cedare-acceptare) sau prin punere în comun de electroni. Din această cauză, atomii elementelor nu pot exista în stare liberă, ci se combină între ei sau cu atomii altor elemente, pentru a-şi forma un strat electronic exterior complet, ajungând la o configuraţie electronică stabilă, asemănătoare cu a unui gaz inert.

Legătura ionică vs. legătura covalentă polară

Teoria electronică a legăturii ionice - elaborată de W. Kossel în 1916 se referă la legătura realizată prin transfer de electroni de la un atom la altul, în urma căruia atomii dobândesc sarcini electronice elementare, sau multipli ai acesteia, adică devin ioni care se atrag prin forţe electrostatice.

Elucidarea structurii complexe a atomului a dus la formularea unor concepţii noi asupra legãturilor chimice, determinate în exclusivitate de structura învelişul electronic exterior.

Prin extinderea teoriei mecanic-cuantice de la atom la studiul moleculei, s-a demonstrat cã cele douã tipuri principale de legãturi, legătura ionică şi covalentă, sunt numai aparent diferite, cã ele sunt stări limitã ale modului „covalent” de interacţiune al atomilor. Teoria mecanic-cuanticã a demonstrat cã nu existã legătură pur ionică sau pur covalentă. În fluorura de cesiu, CsF, substanţă formată din elementul cel mai electropozitiv din sistemul periodic, Cs, şi din cel mai electronegaziv, F, legătura Cs - F este numai 93% de natură ionicã, 7% este de natură covalentă. De asemenea, în compuşii covalenţi, legătura dintre atomi poate deveni parţial ionicã (covalentã polarã).

Legătura covalentă poate fi localizatã între doi atomi sau delocalizată între trei sau mai mulţi atomi. In funcţie de distribuţia densităţii electronice între atomi, legãturile pot fi ionice, covalente şi metalice.

Conform teoriei electronice, atomii elementelor tind sã-şi realizeze în stratul de valenţă o configuraţie electronică cât mai stabilă, corespunzătoare unui gaz rar (ns2np6). Instabilitatea configuraţiei electronice a atomilor este cu atât mai mare cu cât elementele sunt situate în sistemul periodic mai aproape de un gaz rar.