Materie, elemente și atomi

Din ce este alcătuit corpul tău? Primul tău gând ar putea fi că este alcătuit din diferite organe (cum ar fi inima, plămânii și stomacul) care lucrează împreună pentru a menține corpul funcțional. Sau s-ar putea să mergi mai departe și să spui că organismul tău este alcătuit din multe tipuri diferite de celule. Cu toate acestea, la nivel fundamental, corpul tău — și, de fapt, toată viața, precum și lumea nevie — este alcătuit din atomi, adesea organizați în structuri mai mari, numite molecule.

Atomii și moleculele urmează regulile chimiei și fizicii, chiar și atunci când fac parte dintr-o ființă complexă, vie, care respiră. Dacă ai învățat la chimie că unii atomi au tendința de a primi sau ceda electroni sau de a forma legături între ei, aceste lucruri rămân adevărate chiar și atunci când atomii sau moleculele fac parte dintr-o ființă vie. De fapt, interacțiunile simple între atomi — realizate de multe ori și în multe combinații diferite, într-o singură celulă sau într-un organism mai mare — fac viața posibilă. S-ar putea susține că tot ceea ce ești, inclusiv conștiința ta, este produsul secundar al interacțiunilor chimice și electrice dintre un număr foarte, foarte mare de atomi nevii!

Deci, în calitate de ființă incredibil de complexă formată din aproximativ 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de atomi, probabil vei vrea să știi câteva noțiuni de bază la chimie, pe măsură ce începi să explorezi lumea biologiei și lumea în general.

Termenul materie se referă la orice are spațiu și masă — cu alte cuvinte, „lucrurile” din care este alcătuit universul. Toată materia este alcătuită din substanțe numite elemente, care au proprietăți fizice și chimice specifice și care nu pot fi descompuse în alte substanțe prin reacții chimice obișnuite. Aurul, de exemplu, este un element, la fel și carbonul. Există 118 elemente, dar numai 92 apar în mod natural. Celelalte elemente au fost create doar în laboratoare și sunt instabile.

Fiecare element este indicat prin simbolul său chimic, care este o singură majusculă sau, atunci când prima literă este deja „luată” de un alt element, o combinație de două litere. Anumite inițiale respectă termenul în limba română al elementului, cum ar fi C pentru carbon și Ca pentru calciu. Simbolurile chimice ale altor elemente provin din denumirile lor latine; de exemplu, simbolul pentru sodiu este Na, care este o formă scurtă a denumirii natrium, cuvântul latin pentru sodiu.

Cele patru elemente comune tuturor organismelor vii sunt oxigenul (O), carbonul (C), hidrogenul (H) și azotul (N), care reprezintă împreună aproximativ 96% din corpul uman. În lumea nevie, elementele se găsesc în proporții diferite, iar unele elemente comune organismelor vii sunt relativ rare pe pământ. Toate elementele și reacțiile chimice dintre acestea respectă aceleași legi chimice și fizice, indiferent dacă sunt parte din lumea vie sau nu.

Un atom este cea mai mică unitate de materie care păstrează toate proprietățile chimice ale unui element. De exemplu, o monedă de aur este pur și simplu un număr foarte mare de atomi de aur, turnați în forma unei monede, alături de cantități mici din alte elemente contaminante. Atomii de aur nu pot fi descompuși într-o unitate mai mică și să păstreze proprietățile aurului. Un atom de aur își primește proprietățile de la micile particule subatomice din care este alcătuit.

Un atom este format din două regiuni. Prima este nucleu atomic, care se află în centrul atomului și conține particule cu sarcină pozitivă numite protoni și particule neutre, fără sarcină, numite neutroni. Cea de-a doua regiune, mult mai mare, a atomului este un „înveliș” de electroni, particule cu sarcină negativă, care orbitează în jurul nucleului. Atracția dintre protonii cu sarcină pozitivă și electronii cu sarcină negativă menține atomul ca întreg. Majoritatea atomilor conțin toate aceste trei tipuri de particule subatomice — protoni, electroni și neutroni. Hidrogenul (H) este o excepție, deoarece de obicei are un proton și un electron, dar niciun neutron. Numărul de protoni din nucleu determină ce element este un atom, în timp ce numărul de electroni din jurul nucleului determină ce fel de reacții paote avea atomul. Cele trei tipuri de particule subatomice sunt ilustrate mai jos pentru un atom de heliu — care, prin definiție, conține doi protoni.

Protonii și neutronii nu au aceeași sarcină, dar au aproximativ aceeași masă, în jur de $1,67\times {10}^{-24}$‍ grame. Deoarece gramele nu sunt o unitate foarte convenabilă pentru măsurarea maselor atât de mici, oamenii de știință au ales să definească o măsură alternativă, daltonul sau unitatea atomică de masă (u.a.m). Un singur neutron sau proton are o masă foarte apropiată de 1 u.a.m. Electronii sunt mult mai mici ca masă decât protonii, doar aproximativ 1/1800 dintr-o unitate atomică de masă, astfel încât nu contribuie mult la masa atomică totală a unui element. Pe de altă parte, electronii afectează foarte mult sarcina atomică, întrucât fiecare electron are o sarcină negativă egală cu sarcina pozitivă a unui proton. În cazul atomilor fără sarcină, neutri, numărul de electroni care orbitează în jurul nucleului este egal cu numărul de protoni din interiorul acestuia. Sarcinile pozitive și negative se anulează reciproc, ducând la un atom fără o sarcină electrică netă.

Protonii, neutronii și electronii sunt foarte mici, iar cea mai mare parte a volumului atomului — mai mult de 99% — este de fapt spațiu gol. Cu tot acest spațiu gol, ai putea întreba de ce așa-zisele obiecte solide nu trec unul prin celălalt. Răspunsul este că învelișurile de electroni cu sarcină negativă ai atomilor se vor respinge reciproc dacă se apropie prea mult, rezultând percepția noastră de soliditate.