Fonaments de l'Estructura Atòmica, Enllaç Químic i Lleis Ponderals
L'Àtom: Nucli i Escorça
El Nucli
És la part central de l'àtom. Conté els protons i els neutrons i concentra les partícules amb la càrrega positiva (protons) i gairebé tota la massa de l'àtom. La mida del nucli és molt petita en comparació amb la mida de tot l'àtom, i entre el nucli i l'escorça hi ha un espai buit.
Es descriu mitjançant dos nombres:
- Nombre atòmic (Z): Representa el nombre de protons que hi ha en el nucli.
- Nombre màssic (A): És la suma del nombre de protons i neutrons del nucli.
(Isòtops: àtoms amb el mateix nombre de protons i diferent nombre de neutrons).
L'Escorça
Conté els electrons, amb càrrega negativa i amb una massa negligible en relació amb la del nucli. Giren en òrbites entorn del nucli i la seva càrrega equilibra la positiva.
- Els electrons ocupen nivells i subnivells d'energia.
- Quan l'electró passa d'un nivell superior a un altre de menor energia, emet una radiació que, una vegada analitzada, constitueix l'espectre d'emissió característic de l'element.
Model de Bohr
- L'electró gira entorn del nucli en òrbites circulars d'energia fixa.
- Només hi ha òrbites en què els electrons tenen valors d'energia determinats. Per això, les òrbites també s'anomenen nivells d'energia, designats amb la lletra $n=1, 2, 3, 4...$
- Quan l'electró passa d'un nivell d'energia superior a un altre d'energia inferior, la diferència d'energia s'emet com a llum.
Taula Periòdica dels Elements
La primera ordenació periòdica dels elements d'acord amb les seves propietats químiques i la seva massa atòmica creixent és deguda a Mendeléiev.
L'ordenació definitiva és posterior i s'ha fet a partir dels criteris següents:
- El nombre atòmic creixent: Cada element de la taula té un protó més en el nucli que l'anterior.
- L'estructura electrònica: L'estructura electrònica en nivells i subnivells es correspon amb els blocs d'elements.
- Els electrons de valència: Els electrons de l'última capa de l'escorça d'un àtom s'anomenen electrons de valència i determinen el comportament químic de l'element i les seves propietats. Tots els elements d'un grup tenen el mateix nombre d'electrons de valència i, per tant, propietats semblants.
Els Àtoms s'Uneixen: L'Enllaç Químic
La unió de dos o més àtoms per a formar un sistema estable s'anomena enllaç químic. L'energia despresa en el procés s'anomena energia d'enllaç i equival a l'energia necessària per a separar els àtoms units.
Molècules i Cristalls
- Molècules: Són agrupacions estables d'un nombre fix i petit d'àtoms. Si els àtoms són iguals, constitueixen un element, i si són diferents, constitueixen un compost.
- Cristalls: Són agrupacions estables d'un nombre variable i molt gran d'àtoms o ions que formen sòlids les partícules dels quals presenten una ordenació regular en totes les direccions.
Enllaç Metàl·lic
Substàncies metàl·liques:
- Els metalls formen cristalls: els nusos de la xarxa metàl·lica són ocupats pels cations del metall.
- Els electrons de valència formen un gas electrònic que es pot desplaçar per la xarxa, la qual cosa justifica les seves propietats elèctriques i tèrmiques.
Enllaç Covalent
Es forma entre dos àtoms que comparteixen un o més electrons. Cada parell d'electrons compartit constitueix un enllaç.
Substàncies covalents:
- Els compostos covalents poden ser substàncies moleculars ($H_2$, $O_2$, $H_2O$, etc.) o estructures covalents gegants que formen cristalls (quars, grafit, etc.).
- Els àtoms busquen l'estabilitat compartint electrons. Cada parell constitueix un enllaç covalent.
Enllaç Iònic
El formen ions positius (procedents d'un metall) i ions negatius (procedents d'un no-metall) que s'atrauen elèctricament. Els àtoms metàl·lics cedeixen electrons als no-metàl·lics.
Substàncies iòniques:
- Els compostos iònics formen cristalls: els nusos de la xarxa iònica els ocupen alternativament els ions positius i els negatius.
- La transferència d'electrons té lloc entre àtoms metàl·lics (que formen cations) i no-metàl·lics (que formen anions).
Lleis Ponderals
Aquestes lleis estableixen les relacions en massa que es verifiquen en un procés químic i són vàlides per a tot tipus de substàncies.
Llei de la Conservació de la Massa (Lavoisier)
En una reacció química, la massa total dels reactius és igual a la massa total dels productes de la reacció, sigui quin sigui l'estat d'agregació en què es troben.
Llei de les Proporcions Definides (Proust)
Quan dos o més elements es combinen per a formar un compost, ho fan sempre en una relació de massa constant, independentment de les quantitats de substància que es facin reaccionar.
Lleis Volumètriques
Aquestes lleis estableixen la relació que hi ha entre els volums dels gasos que intervenen en un procés.
Llei dels Volums de Combinació (Gay-Lussac)
En les reaccions entre gasos, els volums de reactius i productes, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, guarden entre si relacions numèriques senzilles.
Llei d'Avogadro (Hipòtesi)
- Volums iguals de qualsevol gas, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contenen el mateix nombre de molècules.
- Els elements gasosos estan constituïts per partícules que poden ser àtoms individuals o molècules, formades per dos o més àtoms.
Concepte de Mol
- Mol: És la quantitat de substància que conté $6.022 \cdot 10^{23}$ partícules de la substància (molècules, àtoms, ions, etc.).
- Massa Molar: La massa d'un mol de qualsevol substància equival a la seva massa atòmica o molecular expressada en grams.
- Volum Molar: És el volum que ocupa un mol de qualsevol gas en condicions normals (c.n.) de pressió i temperatura, i és de $22.4$ litres.