Orice material este compus din particule mici numite atomi. Acestea sunt atat
de mici incat incap cu milioanele pe varful unui ac. Gruparea mai multor atomi
formeaza molecule; cele mai mari grupari de acest gen contin mai multe mii de
atomi.
Idea ca orice material se compune din particule mici a aparut inca din vremea
Greciei Antice. In jurul anului 420 i.e.n. filozoful Democrit a ajuns la concluzia
ca materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc
si astazi atomi, dupa cuvantul grecesc atomos, adica indivizibil. z4g6go
Alti filozofi aveau teorii diferite. In secolul IV i.e.n. Aristotel era de parere
ca fiecare material se compune din patru elemente de baza -pamant, aer, foc,
apa -, numai ca in cantitati diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe
larg pana la inceputl secolului XVII. Obiectivul alchimiei a fost crearea “elixirului
vietii”, o bautura care ar da viata eterna omului. Un alt obiectiv a fost
imbogatirea prin transformarea metalelor obisnuite in aur. Multi alchimisti
s-au laudat ca au rezolvat aceste probleme, dar in realitate nici unul nu a
avut succes.
Teoria revolutionara a lui Dalton
Cativa oameni de stiinta au ramas in continuare de parere ca materia se compune
din atomi, insa pana la inceputul anilor 1800 nu a existat nici o dovada stiintifica
care sa sustina aceasta teorie. Un chimist si scriitor englez, John Dalton,
a realizat experiente cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare intre
ele. A determinat de exemplu, ca hidrogenul si oxigenul se combina intotdeauna
in acelasi raport de greutate spre a forma apa. La rezultate similare au ajuns
si alti cercetatori, insa Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora.
El a concluzionat ca materiile sunt compuse din atomi si ca atomii unei substante
primare au toti aceeasi greutate. Daca doua substante primare se combina intre
ele atunci atomii se unesc intotdeauna in acelasi raport cantitativ. Teoria
de atom daltoniana a explicat cauza din care atomii se combina intotdeauna in
acelasi raport cantitativ si a creat un punct de plecare pentru alti cercetatori
spre examinarea in detaliu a materiei.
Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? Primele
indicii in acest sens au aparut spre sfarsitul anilor 1800, cand cercetatorii
au examinat trecerea electricitatii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticla.Tubul
a emis din cand in cand lumina verde, in momentele in care s-a aplicat o tensiune
inalta pe cele doua placute de metal, introduse in gaz, sau altfel spus electrozi.
Aceasta luminozitate era produsa de radiatia invizibila care pornea de pe electrodul
negativ si se lovea de peretele tubului de sticla.
In anii 1890 fizicianul britanic J.J. Thomson a aratat ca aceste raze catodice,
dupa cum se numeau in acea vreme, sunt defapt curenti de particule purtatoare
de sarcini negative. In acea vreme s-a presupus ca electronii sunt smulsi intr-un
mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clara organizarea lor din interiorul
atomului. Ipoteza lui Thomson era ca atomii seamana intr-un fel cu o budinca
de stafide: mai multe particule cu sarcina negativa- electronii, sunt incorporate
intr-o materie voluminoasa dar usoara, de forma sferica. Experientele elaborate
si realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat
teoria lui Thomson.
Modelul Rutherford
In 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutherford, nascut in Noua Zeelanda,
dar care a lucrat in Marea Britanie, a schitat o noua structura atomica, care
a dat raspuns la fenomenele observate in experimente. In conformitate cu aceasta,
mijlocul atomului sau altfel spus nucleul, are sarcina pozitiva si este relativ
greu. In jurul lui se rotesc electronii: particule foarte mici si usoare, purtatoare
de sarcina negativa.
Rutherford nu a realizat insa ca nucleul atomic se compune de regula din mai
multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitiva si altele fara sarcina.
Existenta particulelor cu sarcina pozitiva - a protonilor -; s-a dovedit
in jurul anului 1920. Particulele fara sarcina electrica au fost descoperite
in 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit neutroni. Prin aceasta s-a
completat modelul de atom prin care putem intelege comportamentul materiei.
Elemente
Elementele sunt acele substante, in care fiecare atom are acelasi numar de
protoni. Acest numar comun de protoni indica numarul atomic al elementului.
Exista in totalitata un numar de 92 de elemente in natura: in atomii lor, numarul
protonilor poate varia de la 1 la 92. Prin intermediul unor echipamente speciale,
numite acceleratoare de particule se pot produce alte cateva elemente care sa
contina mai multi protoni.
In multe substante, atomii formeaza grupari numite molecule. Gazul de hidrogen
este format tot din molecule, fiecare molecula fiind compusa din doi atomi de
hidrogen. Si apa este o compozitie: molecula de apa contine doi atomi de hidrogen
si un atom de oxigen. Exista numeroase molecule care contin un numar mult mai
mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate,
numarul atomilor ajungand la ordinul miilor.
Unele elemente se gasesc in natura numai compuse. Spre exemplu sodiul este un
metal, care intra in legatura cu alte metale atat de repede incat niciodata
nu poate fi gasit in natura in forma pura, primara. Forma cea mai raspandita
este compozitia cu clorul, si anume clorura de sodiu, adica sarea de bucatarie.
Sodiul este un metal, se extrage din aceasta compozitie, si adesea se utilizeaza
pentru producerea altor substante.
Legaturi chimice
Atomii din molecule pot fi legati sau conectati in mai multe moduri, dar de
fiecare data implica un schimb de electroni sau punerea lor in comun pentru
a se ajunge la structura stabila de octet sau de dublet. Cele doua tipuri simple
de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica.
In legatura covalenta atomii pun in comun electroni. In molecula de hidrogen,
cei doi atomi de hidrogen sunt legati printr-o legatura covalenta. Cei doi electroni
apartinand celor doi atomi de hidrogen se rotesc in jurul ambelor nuclee, si
astfel stau impreuna. Legatura covalenta se realizeaza intre doua metale sau
nemetale.
La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi electroni atomului pereche,
iar legatura intre ele se datoreaza fortei de atractie electrostatice. In mod
normal numarul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numarul electronilor
negativi. Aceste sarcini de marimi egale dar de sens contrar se anuleaza reciproc,
astfel atomul nu are sarcina electrica. Daca insa atomul pierde electroni, atunci
sarcina pozitiva va fi preponderenta, iar atomul care a primit electroni va
fi de sarcina negativa. Acesti atomi care prezinta o sarcina globala pozitiva
sau negativa, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, si tocmai
aceasta forta de atractie mentine legatura intre atomi. Molecula din sarea de
bucatarie se formeaza printr-o asemenea legatura ionica: un atom de sodiu cedeaza
un electron unui atom de clor. Legatura ionica se realizeaza intre un metal
si un nemetal.
Atomii unui elemant oarecare au intotdeauna acelasi numar de protoni. Numarul
neutronilor insa poate fi diferit. De exemplu, in carbonul natural numarul neutronilor
din nucleu este in general de sase, dar intr-un procentaj de aproximativ unu
la suta acest numar este de sapte. Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element
se numesc izotopi. Acestia nu difera in caracterul lor chimic: fiecare formeaza
aceleasi compozitii cu diferitele materiale, dar difera in caracteristicile
lor fizice, de exemplu ingheata sau incep fierberea la temperaturi diferite.
Cand cerceratorii vorbesc despre un anumit izotop al unui element, atunci il
definesc prin numarul atomic, adica prin numarul total al protonilor si neutronilor.
De exemplu izotopului cel mai raspandit in natura al carbonului este atomul
carbon-12, in care exista sase protoni si sase neutroni. Daca in izotopul mai
rar exista cu un neutron mai mult, atunci acesta este izotopul de carbon-13.
Masa atomica
Masa protonului si a neutronului este aproape aceeasi; de circa 1800 ori masa
electronului. Astfel, daca vrem sa ne referim la masa atomului, de obicei este
suficient sa indicam masa atomica a elementului respectiv, care este egala cu
numarul total al protonilor si neutronilor, deci este intotdeauna un numar intreg.
Masa atomica relativa a unui element (mai de mult se numea greutatea atomica
relativa) este media maselor izotopilor ce se intalnesc in natura, unitatea
fiind 1/12 din masa atomica a izotopolui de carbon-12. Masa moleculara relativa
a unei substante este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula
respectiva.
Complexitatea atomului
De indata ce James Chadwick a descoperit neutronul in 1932, s-a crezut ca se
cunoaste perfect structura atomului. De atunci insa, cercetatorii care au realizat
experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, au descoperit inca peste
o suta de particule diferite in atom, iar fiecare descoperire noua a ridicat
si mai mai multe intrebari. Din fericire pentru explicarea comportamentului
materiei, in marea majoritate a cazurilor, este de ajuns si acest model mai
simplu.
