Studiază proprietățile și reactivitatea elementelor reprezentative și ale compușilor lor importanți.
Hidrogenul este cel mai simplu element (Z = 1, configurația 1s1) și cel mai răspândit din univers. Pe Pământ se găsește aproape exclusiv combinat, în apă și în compușii organici.
Proprietăți fizice: gaz incolor, inodor, cel mai ușor dintre toate gazele (M = 2 g/mol), foarte puțin solubil în apă.
Poziția lui în tabel este atipică. Are un electron de valență, ca metalele alcaline, dar îi lipsește un electron până la configurația heliului, ca halogenilor. De aceea poate avea numărul de oxidare +1 (în majoritatea compușilor: HCl, H2O, NH3) sau –1 (în hidrurile ionice, cu metale: NaH, CaH2).
Obținerea în laborator: metal activ plus acid diluat. - Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 - 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 (reacție violentă)
Industrial se obține prin electroliza apei sau prin conversia metanului cu vapori de apă.
Proprietăți chimice: - Arde cu flacără albăstruie: 2 H2 + O2 → 2 H2O, reacție puternic exotermă. Amestecul de doi volume de hidrogen cu un volum de oxigen se numește amestec detonant și explodează la aprindere. - Este un bun agent reducător: CuO + H2 → Cu + H2O, reacție folosită clasic la demonstrarea reducerii oxizilor metalici. - Se combină cu halogenii, cu azotul (sinteza amoniacului) și cu metalele active.
Hidrurile se clasifică după partenerul hidrogenului: - ionice – cu metale alcaline și alcalino-pământoase (NaH, CaH2); hidrogenul are numărul de oxidare –1, iar cu apa dau bază și hidrogen; - covalente – cu nemetale (HCl, H2O, NH3, CH4); - metalice (interstițiale) – cu metale tranziționale.
Hidrogenul este considerat un combustibil curat, pentru că la ardere produce numai apă. Limita practică nu e chimică, ci de stocare și de transport, plus faptul că obținerea lui consumă energie.
Halogenii — F, Cl, Br, I, At — formează grupa a VII-a A, cu configurația ns2 np5. Le lipsește un singur electron până la octet, de unde reactivitatea lor extremă și tendința de a forma ionul X–.
În stare liberă sunt molecule diatomice: F2, Cl2, Br2, I2. Stările de agregare la temperatura camerei ilustrează perfect creșterea forțelor van der Waals cu masa molară: F2 și Cl2 gaze, Br2 lichid (singurul nemetal lichid), I2 solid, care sublimează dând vapori violeți.
Culori de reținut: fluorul galben-verzui pal, clorul galben-verzui, bromul brun-roșcat, iodul violet-negru cu luciu metalic.
Reactivitatea scade de sus în jos: F2 este cel mai puternic oxidant dintre toate elementele. Consecința se verifică experimental prin reacții de substituție: un halogen mai activ îl dizlocuiește pe cel mai puțin activ din sărurile sale. - Cl2 + 2 KBr → 2 KCl + Br2 - Cl2 + 2 KI → 2 KCl + I2 - Br2 + KCl → nu are loc (bromul este mai puțin activ decât clorul)
Ultima linie este exact itemul care separă înțelegerea de memorare. Sensul reacției nu e arbitrar: el urmează ordinea reactivității din grupă.
Clorul este cel mai important practic. Se obține industrial prin electroliza soluției de NaCl și în laborator din MnO2 și HCl concentrat. Cu apa dă apă de clor (HCl și HClO), iar cu soluția de NaOH dă hipoclorit de sodiu, componentul activ al înălbitorilor.
Acidul clorhidric este un acid tare, folosit în industrie, în laborator și prezent în sucul gastric. Clorura de sodiu este materie primă pentru sodă caustică, clor și sodiu metalic.
Utilizări: clorul la dezinfectarea apei, iodul ca antiseptic (tinctură de iod) și în profilaxia gușei (sarea iodată), fluorul în pasta de dinți, sub formă de fluoruri, pentru protejarea smalțului.
Oxigenul și sulful fac parte din grupa a VI-a A, cu configurația ns2 np4, deci acceptă doi electroni și formează ionul E2–.
Oxigenul este cel mai răspândit element din scoarța terestră. Gaz incolor, inodor, puțin solubil în apă — dar tocmai acea mică solubilitate susține viața acvatică. Are două stări alotropice: O2, oxigenul molecular, și O3, ozonul, care în stratosferă formează stratul protector împotriva radiațiilor ultraviolete.
Obținere: în laborator prin descompunerea apei oxigenate (2 H2O2 → 2 H2O + O2, catalizată de MnO2) sau a cloratului de potasiu; industrial prin distilarea fracționată a aerului lichid.
Proprietatea chimică fundamentală: este un oxidant puternic și întreține arderea, fără să ardă el însuși. Distincția e importantă la itemii de laborator: oxigenul aprinde așchia incandescentă, dar nu este combustibil. - cu metalele dă oxizi bazici: 2 Mg + O2 → 2 MgO - cu nemetalele dă oxizi acizi: S + O2 → SO2
Sulful este un solid galben, insolubil în apă, cu forme alotropice (rombic și monoclinic). Arde cu flacără albăstruie, formând SO2.
Compușii sulfului, cu proprietățile care se cer: - H2S – gaz toxic, cu miros de ouă stricate, acid slab în soluție; - SO2 – gaz incolor, cu miros înțepător, oxid acid, principal responsabil de ploile acide; folosit ca decolorant și conservant; - SO3 – oxid acid, anhidrida acidului sulfuric; - H2SO4 – lichid uleios, higroscopic, acid tare și dibazic, cu acțiune deshidratantă puternică (carbonizează zahărul și lemnul).
Regula de securitate care se cere formulată explicit: la diluare se toarnă acidul în apă, în fir subțire și cu agitare, niciodată invers. Dizolvarea este puternic exotermă, iar apa turnată peste acid fierbe instantaneu și stropește cu acid concentrat.
Ploile acide se formează când SO2 și oxizii de azot din emisiile industriale se dizolvă în vaporii de apă, dând acizi care acidifiază solul, distrug pădurile și corodează construcțiile din calcar.
Azotul și fosforul formează grupa a V-a A, cu configurația ns2 np3.
Azotul reprezintă circa 78 la sută din volumul aerului. Molecula N2 conține o triplă legătură foarte puternică, ceea ce explică inerția lui chimică la temperatura camerei — de aceea azotul se folosește ca atmosferă protectoare în ambalarea alimentelor și în industrie. Aceeași triplă legătură explică de ce fixarea azotului cere condiții dure: plantele nu pot folosi N2 direct, ci doar prin bacteriile fixatoare din nodozitățile leguminoaselor.
Compușii azotului: - NH3 (amoniacul) – gaz incolor, cu miros înțepător, foarte solubil în apă, bază slabă; se obține industrial prin procedeul Haber-Bosch (N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3, catalizator de fier, presiune și temperatură ridicate). Cu acizii dă săruri de amoniu, folosite ca îngrășăminte. - HNO3 (acidul azotic) – acid tare și oxidant puternic; dizolvă cuprul și argintul, metale care nu reacționează cu HCl. Reacția nu degajă hidrogen, ci oxizi de azot — detaliu care contrazice reflexul metal plus acid dau hidrogen. - Azotații – toți solubili, folosiți ca îngrășăminte (NH4NO3, KNO3). - Oxizii de azot – NO și N2O sunt oxizi neutri, NO2 este oxid acid, brun-roșcat, poluant atmosferic.
Fosforul are două forme alotropice foarte diferite: fosforul alb, toxic, care se autoaprinde în aer și se păstrează sub apă, și fosforul roșu, stabil și mult mai puțin periculos, folosit la fabricarea chibriturilor.
Compuși: P4O10 (oxid acid, deshidratant energic), H3PO4 (acid tribazic, de tărie medie, folosit în industria alimentară și la îngrășăminte), fosfații, esențiali în ADN, ATP și în structura oaselor.
Atât azotul, cât și fosforul sunt macroelemente pentru plante, dar excesul lor din îngrășăminte, ajuns în ape, produce eutrofizare: alge în exces, consum de oxigen și moartea faunei acvatice.
Carbonul și siliciul formează grupa a IV-a A, cu configurația ns2 np2 și valența caracteristică 4.
Formele alotropice ale carbonului explică perfect legătura dintre structură și proprietăți: - Diamantul – rețea covalentă tridimensională, fiecare atom legat tetraedric de alți patru; este cea mai dură substanță naturală, izolator electric, transparent. - Grafitul – straturi plane hexagonale, slab legate între ele; este moale, se exfoliază (de aici mina creionului), și conduce curentul electric, pentru că fiecare atom are un electron delocalizat. - Fullerene și nanotuburi – structuri moderne, cu aplicații în nanotehnologie.
Contrastul diamant-grafit este itemul preferat de argumentare: aceeași compoziție, proprietăți opuse, pentru că diferă structura. Cine spune că grafitul e mai moale pentru că are alți atomi ratează tot raționamentul.
Compușii carbonului: - CO (monoxidul de carbon) – gaz incolor, inodor, extrem de toxic, pentru că se leagă de hemoglobină de circa 200 de ori mai puternic decât oxigenul; rezultă din arderea incompletă. Este un oxid neutru. - CO2 (dioxidul de carbon) – oxid acid, mai greu decât aerul, nu întreține arderea (de aici folosirea în extinctoare); cu apa dă acid carbonic, cu apa de var dă tulburarea caracteristică prin CaCO3, testul clasic de identificare. Este principalul gaz cu efect de seră de origine antropică. - Carbonații și hidrogenocarbonații – CaCO3 (calcar, marmură, cretă), NaHCO3 (bicarbonat). Toți carbonații reacționează cu acizii cu efervescență, degajând CO2.
Siliciul este al doilea element ca răspândire în scoarța terestră, după oxigen, și se găsește exclusiv combinat, mai ales ca SiO2 (cuarț, nisip) și ca silicați. Este semiconductor, ceea ce îl face materialul de bază pentru cipuri și celule fotovoltaice.
SiO2 este un cristal covalent cu rețea tridimensională, de unde punctul de topire foarte ridicat și duritatea mare — spre deosebire de CO2, molecular și gazos, deși ambele au aceeași formulă generală EO2. Din SiO2 se obțin sticla, cimentul și ceramica.