Atomi

Orice material este compus din particule mici numite atomi Acestea sunt atât de mici încât încap cu milioanele pe vârful unui ac. Gruparea mai multor atomi formează molecule; cele mai mari grupări de acest gen conţin mai multe mii de atomi

Idea că orice material se compune din  particule mici a apărut încă din vremea  Greciei Antice. în jurul anului 420 î.e.n. filozoful Democrit a ajuns la. concluzia că materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc şi astăzi atomi, după cuvântul grecesc atomos, adică indivizibil.
AlÅ£i filozofi aveau teorii diferite. în secolul IV. î.e.n. Aristotel era de părere că fiecare material se compune din patru elemente de bază -pământ, aer, foc, apă -, numai că în cantităţi diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe larg până la începutul secolului XVII. Obiectivul  alchimiei a fost crearea “elixirului vieÅ£ii”, o băutură care ar da viaţă eternă omului. Un alt obiectiv a fost îmbogăţirea prin transformarea metalelor obiÅŸnuite în aur. MulÅ£i alchimiÅŸti s-au lăudat că au rezolvat aceste probleme, dar în realitate nici unul nu a avut succes.

Teoria revoluţionară a lui Dalton

Câţiva oameni de ştiinţă au rămas în continuare de părere că materia se compune din atomi, însă până la începutul anilor 1800 nu a existat nici o dovadă ştiinţifică care să susţină această teorie. Un chimist şi scriitor englez, John Dalton, a realizat experienţe cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare între ele. A determinat de exemplu, că hidrogenul şi oxigenul se combină întotdeauna în acelaşi raport de greutate spre a forma apă. La rezultate similare au ajuns şi alţi cercetători, însă Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora. El a concluzitionat ca materiile sunt compuse din atomi şi că atomii unei substanţe primare au toţi aceeaşi greutate. Dacă două substanţe primare se combină între ele atunci atomii se unesc întotdeauna în acelaşi raport cantitativ. Teoria de atom daltoniană a explicat cauza din care atomii se combină întotdeauna în acelaşi raport cantitativ şi a creat un punct de plecare pentru alţi cercetători spre examinarea în detaliu a materiei.
Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? Primele indicii în acest sens au apărut spre sfârşitul anilor 1800, cand cercetatorii au examinat trecerea electricităţii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticlă. Tubul a emis din când în când lumină verde, în momentele în care s-a aplicat o tensiune înaltă pe cele două plăcuţe de metal, introduse în gaz, sau altfel spus electrozi. Această luminozitate era produsă de radiaţia invizibilă care pornea de pe electrodul negativ şi se lovea de peretele tubului de sticlă.

In anii 1890 fizicianul britanic JJ. Thomson a arătat că aceste raze catodice, după cum se numeau în acea vreme, sunt de fapt curenţi de particule purtătoare de sarcini negative. în acea vreme s-a presupus că electronii sunt smulşi într-un mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clară organizarea lor din interiorul atomului. Ipoteza lui Thomson era că atomii seamănă într-un fel cu o budincă cu stafide: mai multe particule cu sarcină negativă -electronii, sunt încorporate într-o materie voluminoasă dar uşoară, de formă sferică. Experienţele elaborate şi realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat teoria lui Thomson.

Modelul Rutherford

în 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutherford, născut în Noua Zeelandâ, dar care a lucrat în Marea Britanie, a schiţat o nouă structură atomică, care a dat răspuns la fenomenele observate în experimente. în conformitate cu aceasta, mijlocul atomului, sau altfel spus nucleul, are sarcină pozitivă şi este relativ greu. în jurul lui se învârt electronii: particule foarte mici şi uşoare, purtătoare de sarcină negativă.

Rutherford nu a realizat însă că nucleul atomic se compune de regulă din mai multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitivă şi altele fără sarcină. Existenţa particulelor cu sarcină pozitivă - a protonilor - s-a dovedit în jurul anului 1920. Particulele fără sarcină electrică, amintite mai sus, au fost descoperite în 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit electroni. Prin aceasta s-a completat modelul de atom prin care putem înţelege comportamentul materiei.

Elemente

Elementele sunt acele substanţe, în care fiecare | atom are acelaşi număr de protoni. Acest număr u comun de protoni indică numărul atomic al elementului. Există în totalitate un număr de 92 elemente în natură: în atomii lor, numărul protonilor poate varia între 1 şi 92. Prin intermediul unor echipamente speciale, numite acceleratoare de particule se pot produce alte câteva elemente care să conţină mai mulţi protoni. Printre elementele naturale amintim fierul, mercurul şi hidrogenul.
în multe substanţe, atomii formează grupări numite molecule. Gazul de hidrogen este format tot din molecule, fiecare moleculă fiind compusă din doi atomi de hidrogen. Şi apa este o compoziţie: molecula de apă conţine doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen. Există numeroase molecule care conţin un număr mult mai mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate, numărul atomilor ajungând de ordinul miilor.
Unele elemente se găsesc în natură numai compuse. Spre exemplu, sodiul este un metal, numai că intră în legătură cu alte elemente atât de repede încât niciodată nu se poate întâlni în natură în formă pură, primară. Forma cea mai răspândită este compoziţia cu clorul, şi anume clorura de sodiu, adică sarea de bucătărie. Sodiul ca metal, se extrage din această compoziţie, şi adesea se utilizează pentru producerea altor substanţe.

Legături chimice

Atomii din molecule pot fi legaţi sau conectaţi în mai multe moduri, dar de fiecare dată implică un schimb de electroni sau punerea lor în comun. Cele două tipuri simple de legături chimice sunt legătura covalentă şi ionică.
în legătura covalentă atomii pun în comun electronii. în molecula de hidrogen, cei doi atomi de hidrogen sunt legaţi printr-o legătură covalentă. Cei doi electroni aparţinând celor doi atomi de hidrogen se învârt în jurul ambelor nuclee, şi astfel stau împreună.

La legătura ionică un atom cedează unul sau mai mulţi electroni la atomul pereche, iar legătura între ele se datorează forţei de atracţie electrostatice. în mod normal numărul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numărul electronilor negativi. Aceste sarcini de mărimi egale dar de sens contrar se anulează reciproc, astfel global atomul nu are sarcină electrică. Dacă însă atomul pierde electroni, atunci sarcina pozitivă va fi preponderentă, iar atomul care a primit electroni va fi de sarcină negativă. Aceşti atomi, care prezintă o sarcină globală pozitivă sau negativă, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, şi tocmai această forţă de atracţie menţine legătura între atomi. Molecula din sarea de bucătărie se formează printr-o asemenea legătură ionică: un atom de sodiu cedează un electron unui atom de clor.
Atomii unui element oarecare au întotdeauna acelaşi număr de protoni. Numărul neutronilor însă poate să fie diferit. De exemplu, în carbonul natural numărul neutronilor din nucleu este în general şase, dar într-un procentaj de aproximativ unu la sută acest număr este şapte. Aceşti atomi diferiţi ai aceluiaşi element se numesc izotopi. Aceştia nu diferă în caracterul lor chimic: fiecare formează aceleaşi compoziţii cu diferitele materiale, dar diferă în caracteristicile lor fizice, de exemplu îngheaţă sau încep fierberea la temperaturi diferite.

Când cercetătorii vorbesc despre un anumit izotop al unui element, atunci îl definesc prin numărul atomic, adică prin numărul total al protonilor şi al neutronilor. De exemplu, izotopul cel mai răspândit în natură al carbonului este atomul carbon-12, în care există şase protoni şi şase neutroni. Dacă în izotopul mai rar există cu un neutron mai mult, atunci acesta este izotopul carbon-13.

Masa atomică

Masa protonului şi a neutronului este aproape aceeaşi; de circa 1800 ori masa electronului, Astfel, dacă vrem să ne referim la masa atomului, de obicei este suficient să indicăm masa atomică a elementului respectiv, care este egală cu numărul total al protonilor şi neutronilor, deci este întotdeauna un număr întreg.
Masa atomică relativă a unui element (mai de mult se numea greutatea atomică relativă) este media maselor izotopilor ce se întâlnesc în natură, unitatea fiind 1/12 din masa atomică a izotopului de carbon-12. Masa moleculară relativă a unei substanţe este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula respectivă.

Complexitatea atomului

De îndată ce James Chadwick a descoperit neutronul în 1932, s-a crezut că se cunoaşte perfect structura atomului. De atunci însă, cercetătorii care au realizat experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, au descoperit încă peste o sută de particule diferite în atom, iar fiecare descoperire nouă a ridicat şi mai multe întrebări. Din fericire, pentru explicarea comportamentului materiei, în marea majoritate a cazurilor, este de ajuns şi acest model mai simplu.