Δήμητρα Σπανού συνταξιούχος χημικός καθηγήτρια Βθμιας Εκπαίδευσης
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΥΤΟΥ ΤΟΥ ΤΟΜΕΑ
Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ. ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ. ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ. ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΔΟΜΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ.
Εδώ προσπαθώ να ανασύρω τα χημικά στοιχεία μαζύ με τις φυσικές , χημικές και φυσικοχημικές ιδιότητές τους συσχετίζοντας αυτές, στα μέτρα του δυνατού, με την εσωτερική τους δομή και σαν υλικά σώματα (παράδειγμα οι διαφορές μεταξύ άμορφων και κρυσταλλικών σωμάτων) αλλά και να δώσω την ιδέα για το πως και πόσο οι ιδιότητες αυτές επιρρεάζονται από τις εξωτερικές συνθήκες (παράδειγμα οι αλλοτροπικές μορφές σχετικά με την θερμοκρασία ή οι δυνάμεις που έχουν άλλα αποτελέσματα στα απλάυλικά σώματα ανάλογα με την εσωτερική δομή τους) κ.λ.π.
Λεπτομερέστερη και πιο εξειδικευμένη πληροφορία για τα χαρακτηριστικά και τις φυσικές ιδιότητες των χημικών στοιχείων υπάρχουν σε περιοχές του διαδικτύου όπως για παράδειγμα στην σελίδα
Εδώ, δίνω ξεχωριστά κάποια συμπληρωματικές γνώσεις, απαραίτητες για ορισμένα κεφάλαια , έτσι ώστε, να μην χάνεται η συνέχεια των κειμένων, που μπορεί μεν να αναφέρονται σε κάποιο άλλο θέμα, όμως οι γνώσεις αυτές είναι απαραίτητες για την κατανόηση.
1ο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ή
ΠΩΣ ΠΕΡΝΑ Η ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΥΛΗ
Ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα των υλικών να επιτρέπουν την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος διά μέσου αυτών υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου.
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός μέσου σχετίζεται με την ικανότητα των φορέων του ηλεκτρικής ενέργειας (συνήθως ηλεκτρόνια, οπές ή ιόντα) να διέρχονται και να κινούνται ελεύθερα μέσα σ΄αυτό. Αυτό εξαρτάται α. από την φύση (δομή) της ουσίας β. τη χημική της σύσταση γ. την κατάσταση συσσωμάτωσης δ. από τις φυσικές συνθήκες (κυρίως θερμοκρασία)
Όσο μικρότερη είναι η αντίσταση ενός αγωγού στην διέλευση του ρεύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτού.
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα συνηθίζεται να αναφέρεται για διέλευση συνεχούς ρεύματος και όχι εναλλασσόμενου όπως συμβαίνει με τα διηλεκτρικά.
ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΖΩΝΩΝ
Ποια ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφέρουν το ηλεκτρικό φορτίο
Είναι μια θεωρία που αναφέρεται σε κίνηση ηλεκτρονίων σε στερεά
Τα ηλεκτρόνια των ατόμων είναι κβαντισμένα ως προς την ενέργεια και κατατάσσονται σε ανόλογες ηλεκτρονιακές στοιβάδες (ενεργειακές ζώνες) με διακριτές επιτερεπόμενες ενεργειακές τιμές. Αυτές οι ενεργειακές ζώνες χωρίζονται από κβαντικά απαγορευμένες ενεργειακές περιοχές (ζώνες).
Τα ηλεκτρόνια των ατόμων δηλαδή βρίσκονται σε καθορισμένα ατομικά τροχιακά (θεωρία Bohr)
Αντίθετα, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν είναι κβαντισμένα και μπορούν να πάρουν οποιανδήποτε τιμή στην ενέργειά τους και το ενεργειακό τους φάσμα είναι συνεχές.
Επίσης τα ηλεκτρόνια των χημικών δεσμών , μεταξύ ατόμων έχουν άλλες επιτρεπτές ενεργειακές τιμές που υπολογίζονται από τις ξεχωριστές κβαντικές καταστάσεις κάθε ατόμου που συμμετέχει και βρίσκονται σε τροχιακά που είναι τα μοριακά τροχιακά
Ζώνη σθένους: Ο όρος χρησιμοποιείται για να εξηγησει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ιδιαίτερα των ημιαγωγών.
Είναι η υψηλότερη πλήρως κατελημένη ζώνη ενέργειας ενεργειακά κβαντισμένων ηλεκτρονίων στο απόλυτο μηδέν ή είναι οι ζώνες ηλεκτρονίων στις οποίες τα ηλεκτρόνια συμβάλουν στον χημικό δεσμό . Οι πλήρως κατελημένες ζώνες δεν μπορούν να συμβάλουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα γιατί ακόμα κι αν τα ηλεκτρονια αυτά απορροφούν ενέργεια από το ηλεκτρικό πεδίο, την χρησιμοποιούν για την ενεργειακή ανύψωση της ζώνης τους.
Για να κινηθουν ηλεκτρόνια μέσα στο στερεό είναι απαραίτητες οι καταστάσεις ελεύθερης ενέργειας.
Ζώνη αγωγιμότητας: Είναι είναι μοντέλο ζώνης που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών. Αναφέρεται για την ενεργειακή ζώνη που βρίσκεται ενεργειακά πάνω από τη ζώνη σθένους των ηλεκτρονίων
Ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην ζώνη αγωγιμότητας μπορούν εύκολα να απορροφήσουν ενέργεια από ένα ηλεκτρικό πεδίο λόγω καταστάσεων ελεύθερης ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας. Σύμφωνα με το θεώρημα Bloch τα ηλεκτρόνια τότε θεωρούνται σαν ελεύθερα σωματίδια και εφαρμόζεται σε αυτά η εξίσωση Stondinger. Επομένως το υλικό είναι ηλεκτρικά αγώγιμο.
ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ ΑΓΩΓΩΝ, ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ, ΜΟΝΩΤΩΝ
Οι αγωγοί του ηλεκτρισμού διακρίνονται σε αγωγούς πρώτου είδους που είναι τα μέταλλα και οι φορείς είναι τα ηλεκτρόνια και αγωγούς δεύτερου είδους πουπεριλαμβάνουν αέρια και μερικές στερεές ουσίες (ιοντικούς κρυστάλλους και γυαλιά, τετηγμένα άλατα και διαλύματα ουσιών σε νερό , μη υδατικούς διαλύτες και τήγματα) οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ιόντα, όμως αυτό δεν ενδιαφέρει στο συγκεκριμένο κεφάλαιο
2ο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ
ΑΛΛΟΤΡΟΠΙΑ ΚΑΙ ΑΛΛΟΤΡΟΠΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΧΗΜΙΚΏΝ ΟΥΣΙΩΝ
ΠΟΙΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΜΦΑΝΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΑΛΛΟΤΡΟΠΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ
Σε ορισμένες περιπτώσεις κάποιο χημικό στοιχείο εμφανίζεται σαν δύο ή περισσότερες ουσίες με διαφορετικές ιδιότητες που βρίσκονται όμως στην ίδια φάση. Αυτό ονομάστηκε Αλλοτροπία και διατυπώθηκε πρώτη φορά από τον Σουηδό Χημικό Berzelius
Οι απλές ουσίες είναι πολύ περισσότερες από τα Χημικά στοιχεία. Είναι περίπου 400 γιατί μαζύ με τα χ.ημικά στοιχεία του Περιοδικού πίνακα - που φτάνουν σήμερα τα 120 με τα τεχνητά-, συμπεριλαμβάνονται και οι αλλοτροπικές τροποποιήσεις τους που δίνουν απλές ουσίες οι οποίες έχουν όμως σε πολλές περιπτώσεις διαφορετικές ιδιότητες
(Το ίδιο φαινόμενο της αλλοτροπίας στις χημικές ενώσεις αλλά εκεί ονομάζεται ισομέρεια)
Έχει διαπιστωθεί ότι η αλλοτροπία ευνοείται σε χημικά στοιχεία που έχουν υψηλό βαθμό οξείδωσης και ικανότητα των ατόμων να συνδέονται σε ομοαλυσίδες. Επομένως περισσότεροι αλλοτροπικοί σχηματισμοί παρατηρούνται στα αμέταλλα και τα ημιμέταλλα.
Μόνο τα 28 από τα μέταλλα έχουμε , σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση αλλοτροπικές μορφές ενώ 6 σχηματίζουν αλλοτροπικές τροποποιήσεις με τεχνική επεξεργασία.
Αλλοτροπία σε χημικά στοιχεία βρίσκουμε σε δύο περιπτώσεις.
Α. Διαφορετική κατάσταση των μορίων
Παράδειγμα το οξυγόνο Ο2 και το Όζον Ο3 (αλλοτροπία σύνθεσης)
Β. Διαφορετικός τρόπος τοποθέτησης των μορίων- ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα
Παράδειγμα ο κασσίτερος Sn: σε θερμοκρασία μικρότερη από 13,2 έχουμε τον αSn που είναι γρίζος, κρυσταλλική σκόνη, πλέγμα διαμαντιού, μεταξύ 13,2 και 161 βαθμούς κελσίου έχουμε τον λευκό κασσίτερο βSn όλκιμο μέταλλο με μεταλλικό πλέγμα και με μεταλλική λάμψη ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες 161 έως 232 τον γSn μεγάλη σκληρότητα και ευθραυστοτητα και ρομβικό πλέγμα,
(Εδώ πρέπει να αναφέρω ότι υπάρχει το ίδιο φαινόμενο για τα κρυσταλλικά πλέγματα χημικών ενώσεων, αυτό όμως δεν λέγεται αλλοτροπία αλλά πολυμορφισμός)
Μια συνολική καταγραφή των χημικών στοιχείων που συναντούμε σε αλλοτροπικές μορφές βρίσκουμε στην σελίδα του διαδικτύου
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F
Εδώ θα δώσω μόνο κάποια παραδείγματα όπως και σε άλλα κεφάλαια του τομέα αυτού που αναφέρονται στην εσωτερική δομή των υλικών σωμάτων
Ένα συνηθισμένο τέτοιο παράδειγμα είναι το χημικό στοιχείο φωσφορος (Ρ) στον οποίο υπάρχουν 11 αλλοτροπικές Οι πιο γνωστές είναι ο λευκός (δηλητηριώδης, λάμπει στο σκοτάδι και μπορεί να έχει αυθόρμητη ανάφλεξη), ο ερυθρός φωσφόρος (δεν είναι δηλητηριώδης, δεν λάμπει στο σκοτάδι και δεν μπορεί να έχει αυθόρμητη ανάφλεξη), ο μαύρος φωσφόρος είναι χημικά αδρανής και αγώγιμος στο ηλεκτρικό ρεύμα
ΑΛΛΟΤΡΟΠΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ
Η αλλαγή ενός αλλότροπου στοιχείου σε ένα άλλο μπορεί να συμβεί για διάφορους λόγους όπως η αλλαγή στην Θερμοκρασία, στην Πίεση, στην Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία που μπορεί να είναι φυσικοί ή λόγω επεξεργασίας (τεχνητοί)
Όταν αυτοί έχουν σαν αποτέλεσμα την αλλαγή στην δομή ενός χημικού είδους, ώστε με τις αλλαγές στην δομή του να έρχονται συνήθως τροποποιήσεις των φυσικών και χημικών του ιδιότητων έχουμε αλλοτροπικό μετασχηματισμό. Αλλαγές μπορεί να εμφανιστούν σε φυσικές ιδιότητες όπως η σκληρότητα (για στερεά), η ηλεκτρική αγωγιμότητα, το σημείο τήξης και το χρώμα αλλά και σε χημικές ιδιότητες όπως η οξειδοαναγωγική ικάνότητα, η αντοχή στην διάβρωση κ.α. .
Η αλλοτροπία επίσης μπορεί να είναι μονότροπη, όταν ένα από τα αλλότροπα είναι σταθερότερο από τα άλλα και είναι δυνατή η μετάβαση από μια όχι σταθερή αλλοτροπική δομή σε μια σταθερή χωρίς να είναι δυνατό και το αντίστροφο.
Παράδειγμα η μετάβαση του λευκού φωσφόρου υπό πίεση 1,25GPa και θερμοκρασία 200οC σε μαύρο (σταθερότερο αλλότροπο)
ή η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι σε πίεση 6GPa και θερμοκρασία 1500Cο (με καταλύτη Ni, Cr, Fe κ.α.) ενώ το διαμάντι μετατρέπεται γρήγορα σε γραφίτησε θερμοκρασίες ανω των 1000Cο
και εναντιότροπη εάν τα διάφορα αλλότροπα επικρατούν σε διαφορετικές συνθήκες το κάθε ένα και μπορούν να μετατρέπονται το ένα στο άλλο ανάλογα και αυτό συνήθως συμβαίνει όταν οι αλλοτροπικές τροποποιήσεις γίνονται κάτω από το σημείο τήξεως.
Παράδειγμα ο σίδηρος: ο σίδηρος έως την θερμοκρασία των 770οC έχει πλέγμα κυβικό κεντρωμένο με παραμέτρους α=0,286nm και μαγνητικές ιδιότητες. Πάνω από αυτήν οι διαστάσεις του πλέγματος αυξάνονται έως τους 910ο C με α=0,290nm
ΠΗΓΕΣ