Atomul. Noţiuni fundamentale
Imaginaţi-vă că ar trebui să construiţi o lume exact ca cea în care trăim. Cu ce aţi începe? Aţi avea nevoie de oameni… mașini… case… animale… copaci… și miliarde de alte lucruri.
Dacă aţi avea însă doar câteva zeci de tipuri diferite de atomi, atunci aţi putea construi toate aceste lucruri și multe altele doar unind atomii împreună în diferite moduri.
Atomii sunt blocurile minuscule din care sunt realizate toate lucrurile care ne înconjoară. Este uimitor să afli că poți face orice din atomi, de la un șarpe până la un transatlantic, dar este absolut adevărat!
Totul este format din atomi. Mărimea atomilor care formează tricoul este, desigur, mult exagerată.
Ce este un atom?
Orice obiect este format din componente mai mici. Există motoare în interiorul automobilelor, sâmburi în interiorul merelor, inimi și plămâni în interiorul oamenilor și umplutură în interiorul ursulețului de pluş.
Dacă continuăm vom descoperi că, în cele din urmă, materia care formează toate lucrurile care ne înconjoară este făcută din diferite tipuri de atomi.
Organismele vii, de exemplu, sunt formate în cea mai mare parte din atomi de carbon, hidrogen și oxigen. Acestea sunt doar 3 dintre cele peste 100 de elemente chimice pe care oamenii de știință le-au descoperit până în prezent.
Printre celelalte elemente chimice se numără metale, precum cupru, staniu, fier, aur, dar şi gaze, precum hidrogen și heliu. Puteți face practic orice vă gândiţi alăturând atomii unor elemente diferite precum blocurile minuscule LEGO®.
Cum arată un atom?
Puteți vedea un atom dacă aveți tipul potrivit de microscop sau cameră foto!
În fotografia de mai jos se pot vedea atomii de stronțiu care formează un cub în timp ce sunt excitaţi cu ajutorul unui laser.
Atomi de stronțiu. Credit: National Institute of Standards and Technology (NIST).
Un atom este cea mai mică cantitate posibilă a unui element chimic. Astfel, un atom de aur este cea mai mică cantitate de aur pe care o puteți avea.
Prin mic înţelegem aici ceva extrem de minuscul: un singur atom este de sute de mii de ori mai mic decât grosimea unui fir de păr uman, așa încât nu aveți absolut nicio șansă să îl vedeți vreodată dacă nu aveți un microscop electronic extrem de puternic.
În Antichitate se credea că atomii sunt cele mai mici lucruri posibile din lume. De fapt, cuvântul atom provine de la un cuvânt grecesc care înseamnă ceva ce nu mai poate fi divizat. Astăzi, știm că acest lucru nu este adevărat.
În teorie, dacă aţi avea un cuțit suficient de mic și de ascuțit, atunci aţi putea tăia un atom de aur în bucăți și aţi găsi lucruri mai mici în interiorul lui. În acest caz nu aţi mai avea aur, doar alte particule mai mici din care sunt formaţi atomii.
Toți atomii sunt formaţi din aceleaşi particule subatomice. Așadar, dacă tăiaţi un atom de fier și puneţi bucățile rezultate într-o grămadă şi apoi tăiaţi un atom de aur și puneţi acele bucăți într-o altă grămadă, atunci veţi avea două mormane de bucăți foarte asemănătoare, dar nu veţi mai avea fier sau aur.
Din ce este format atomul?
Majoritatea atomilor au 3 particule subatomice diferite în interiorul lor: protoni, neutroni și electroni.
Protonii și neutronii se află în nucleul atomului, partea centrală a atomului, iar electronii, care sunt mult mai mici, se învârt în jurul nucleului. Adeseori electronii sunt reprezentaţi în imaginea atomului ca niște sateliți care se rotesc în jurul Pământului pe diferite orbite.
Model atom.
De fapt, electronii se mișcă atât de repede încât niciodată nu știm exact unde se află la un moment dat.
Imaginaţi-vă electronii ca nişte mașini de curse super-rapide care se mișcă atât de repede încât se transformă într-un nor înceţoşat şi par să fie peste tot simultan. Din acest motiv, în unele cărți electronii sunt desenaţi în interiorul unor zone difuze din atom denumite orbitali.
Rețineți că în imaginea de mai sus atomul nu este desenat la scară!
Cea mai mare parte a unui atom este spațiu gol. Dacă un atom ar fi la fel de mare ca un stadion de baseball, nucleul din centrul său ar fi de dimensiunea unui bob de mazăre, iar electronii ar fi undeva pe la marginea exterioară.
Prin ce diferă atomii între ei?
Atomii diferă între ei prin numărul de protoni, neutroni și electroni din interiorul lor.
Într-un singur atom de fier se află 26 de protoni și 30 de neutroni aglomerați împreună în nucleu și 26 de electroni la exterior. Un atom de aur este mai mare și mai greu. În interiorul lui se află 79 de protoni, 118 neutroni și 79 de electroni.
Protonii, neutronii și electronii din atomii de fier și aur sunt identici, doar numărul lor este diferit.
În teorie, puteți transforma fierul în aur, luând atomi de fier și adăugând 53 de protoni, 88 de neutroni și 53 de electroni la fiecare.
Dacă acest lucru ar fi atât de simplu pe cât pare, atunci toți chimiștii ar fi într-adevăr foarte bogați!
Totuşi, să presupunem că puteți transforma atomii în alți atomi într-un mod foarte simplu. Cum aţi face primele elemente chimice?
Aţi începe cu cel mai simplu atom dintre toţi, atomul de hidrogen (simbol H), care are doar un proton și un electron. Dacă adăugați un proton, un electron și 2 neutroni, atunci obțineți un atom de heliu (simbol He).
Dacă mai adăugați un proton, un electron și încă 2 neutroni veţi obţine un atom de litiu (simbolul Li), iar dacă mai adăugați un proton, un neutron și un electron veți obține un atom de beriliu (simbolul Be).
Formarea atomilor.
În toți atomii, numărul de protoni și numărul de electroni este întotdeauna același. Numărul de neutroni este aproximativ egal cu numărul protonilor, dar uneori este mai mare.
Numărul de protoni dintr-un atom se numește număr atomic (simbol Z) și indică tipul de atom. Atomul cu numărul atomic 1 este hidrogenul, atomul cu numărul atomic 2 este heliul și așa mai departe.
Numărul total de protoni și neutroni dintr-un atom se numește număr de masă (simbol A). Hidrogenul are numărul de masă 1, în timp ce pentru heliu numărul de masă este 4 (pentru că în interior sunt 2 protoni și 2 neutroni).
Cu alte cuvinte, un atom de heliu este de 4 ori mai greu decât un atom de hidrogen, în timp ce un atom de beriliu este de 9 ori mai greu.
Ce este Tabelul Periodic al elementelor?
Să presupunem că faceți o listă a elementelor chimice în ordinea numărului lor atomic, începând cu hidrogenul (H).
Veți descoperi că elementele cu proprietăți chimice şi fizice similare apar la intervale regulate, adică periodic.
Dacă aranjați această listă sub forma unui tabel, astfel încât atomii similari să se încadreze unul sub altul, veți obține o diagramă denumită Tabelul Periodic al elementelor.
Coloanele din Tabelul Periodic al elementelor sunt numite grupe, iar rândurile sunt numite perioade.
Tabelul modern al elementelor chimice. Credit: Offnfopt/Wikipedia.
Atomii dintr-o anumită grupă (coloană) tind să aibă proprietăți similare. De exemplu, coloana 18 din dreapta conține gaze nobile (heliu, neon, argon, kripton și așa mai departe), care au toate straturile electronice complet ocupate cu electroni şi nu formează compuși cu alte substanțe. De aceea se mai numesc şi gaze inerte.
Coloana 1 din stânga conține metale alcaline (litiu, sodiu, potasiu și așa mai departe), care sunt metale relativ reactive. Probabil știți că unele dintre ele reacționează violent cu apa, de exemplu, rezultând hidrogen exploziv.
Dacă știți unde se află un anumit element în Tabelul Periodic al elementelor, atunci știți câte ceva despre proprietățile elementelor aflate mai sus, mai jos și de o parte sau alta a acestuia, astfel încât vă puteți da seama despre proprietățile acelui element.
Cum se formează moleculele și compușii chimici?
Atomii sunt ca oamenii: de obicei preferă compania în locul singurătăţii.
Mulți atomi preferă să se alăture altor atomi pentru că sunt mai stabili în acest fel. Astfel, atomii de hidrogen se unesc între ei pentru a forma ceea ce se numește o moleculă de hidrogen. O moleculă este cea mai mică cantitate dintr-un compus: o substanță formată din 2 sau mai mulți atomi.
Dacă uniți 2 elemente chimice diferite, atunci rezultă adeseori o substanță complet nouă. Dacă uniţi 2 atomi de hidrogen cu un atom de oxigen veți obţine o singură moleculă de apă.
Apa este un compus chimic (pentru că este formată din 2 elemente chimice diferite), dar este, de asemenea, o moleculă, deoarece a rezultat prin unirea unor atomi.
Compușii reprezintă elemente chimice unite între ele, iar moleculele sunt atomi uniți între ei.
Nu toate moleculele sunt la fel de mici și simple precum apa. De exemplu, moleculele unor materiale plastice pot fi formate din sute sau chiar mii de atomi individuali uniți în lanțuri incredibil de lungi denumite polimeri.
Polietilena este un exemplu foarte simplu. Este un polimer realizat prin repetarea unei unități de bază, numită monomer, de mai multe ori, la fel cum un tren este format prin cuplarea unui număr de vagoane identice, unul după altul.
Polimer
Ce sunt izotopii?
Uneori atomii unui element chimic sunt puțin diferiți de ceea ce ne așteptăm. De exemplu, carbonul.
Carbonul obișnuit este denumit carbon-12. Acesta are 6 protoni, 6 electroni și 6 neutroni, deci numărul său atomic este 6 și numărul său de masă este 12.
Mai există o altă formă de carbon numită carbon-14, cu 6 protoni, 6 electroni și 8 neutroni. Acesta are tot numărul atomic 6, dar numărul său de masă este 14.
Carbonul-14 este mai instabil decât carbonul-12, fiind radioactiv, adică se dezintegrează natural. El eliberează particule subatomice și se transformă în azot.
Carbon-12 și carbon-14 sunt izotopi ai carbonului. Un izotop este, pur și simplu, un atom cu un număr diferit de neutroni pe care, în mod normal, ne așteptăm să-i găsim în acel atom.
Cum se formează ionii?
Atomii nu sunt doar pachete de materie, ei au și sarcină electrică.
Fiecare proton din nucleul unui atom are o mică sarcină electrică pozitivă. Să spunem că sarcina sa electrică este +1 pentru a simplifica lucrurile. În realitate, sarcina unui proton este +0.00000000000000000016021892 C!
Neutronii nu au sarcină electrică. Aceasta înseamnă că nucleul unui atom este încărcat electric pozitiv.
Un electron este mic în comparație cu un proton și are o sarcină electrică opusă protonilor, −1 sau, mai exact, −0.00000000000000000016021892 C.
Protonii și electronii sunt precum cele două capete ale unei baterii: au sarcini electrice egale și opuse. Deoarece un atom conține un număr egal de protoni și electroni, sarcina electrică totală a atomului este 0: sarcinile electrice pozitive ale tuturor protonilor sunt echilibrate de sarcinile electrice negative ale tuturor electronilor.
Cu toate acestea, uneori un atom poate câștiga sau pierde un electron pentru a deveni ceea ce se numește ion. Dacă câștigă un electron, atomul devine un ion negativ, iar dacă pierde un electron devine un ion pozitiv.
Un atom de litiu (Li) formează un ion pozitiv (Li +) prin ”pierderea” unui electron. Un atom de fluor (F) formează un ion negativ (F -) câștigând un electron.
Formarea ionilor
Ionii sunt foarte importanți în multe reacții chimice. De exemplu, sarea obișnuită de masă, care are denumirea chimică clorură de sodiu, se obţine atunci când ionii de sodiu se unesc cu ionii de clor.
Un ion de sodiu se formează atunci când un atom de sodiu pierde un electron și devine încărcat electric pozitiv. Un ion de clor se formează în sens invers, atunci când un atom de clor câștigă un electron și devine încărcat electric negativ. Precum cei doi poli opuşi ai unui magnet, sarcinile electrice pozitive și negative se atrag între ele.
Fiecare ion de sodiu încărcat electric pozitiv se fixează pe un ion de clor încărcat electric negativ pentru a forma o singură moleculă de clorură de sodiu. Atunci când compușii chimici se formează prin 2 sau mai mulți ioni care se unesc între ei, vorbim de o legătură ionică. Majoritatea metalelor își formează compușii în acest fel.
Sarcina electrică pe care o au ionii poate fi utilizată în diferite feluri. Ionii, precum și electronii, ajută la transferul electricității prin baterii atunci când acestea sunt conectate la un circuit electric.
De unde știm că există atomi?
Dacă nu vedem atomii, de unde știm că există? Aceasta este o întrebare foarte bună!
Știința se referă la dovezi, deci ce dovezi avem că atomii există cu adevărat?
Moleculele sunt formate din atomi. La începutul secolului 19, chimistul englez John Dalton (1766-1844) a înțeles că atomii se unesc în raporturi simple.
Apa se formează atunci când 2 atomi de hidrogen se unesc cu un atom de oxigen.
Molecula de apă
- Chimiștii știau de mult timp că atunci când se combină diferite elemente în reacții chimice, ingredientele se unesc în raporturi simple. De exemplu, în apă știm că există de 2 ori mai mulți atomi de hidrogen decât atomi de oxigen, ceea ce înseamnă un raport de 2:1. În sare (clorura de sodiu) există un număr egal de atomi de sodiu și clor (NaCl), deci raportul este de 1:1.
Putem explica cu ușurință acest lucru dacă elementele chimice există sub formă de particule simple, atomi, care se unesc precum blocurile de construcție.
- Unele substanțe sunt radioactive, adică se scindează, în mod natural, în substanțe mai simple rezultând astfel particule minuscule sau energie. Din nou, acest lucru are sens dacă atomii există și ei sunt formaţi din particule mai mici (protoni, neutroni și electroni).
- Oamenii de știință pot divide atomii mari în atomi mai mici. Într-o serie de experimente de la începutul secolului XX, o echipă de fizicieni condusă de Ernest Rutherford, un fizician din Noua Zeelandă, a studiat împrăştierea unor particule alfa (nucleu de heliu) la trecerea printr-o foiţă de aur. Pe baza observațiilor efectuate, Rutherford a propus un model de atom în care sarcina pozitivă este concentrată în centrul atomului, nucleu, iar electronii orbitează în jurul acesteia.
- Există o mulțime de dovezi privind existenţa unor particule minuscule, denumite electroni, care stau la baza electricităţii și magnetismului. Fizicianul englez J.J. Thomson a descoperit electronul în anul 1897. Această descoperire i-a ajutat pe oamenii de știință să înţeleagă că atomii sunt formaţi din alte particule mai mici.
- În prezent putem vedea efectiv atomii. Priviţi din nou fotografia atomilor de stronţiu de la începutul articolului! Această imagine i-ar fi încântat pe Rutherford, Thomson și pe toţi ceilalți pionieri din fizica atomică.
Mai mult, oamenii de știință pot acum să vadă şi în interiorul atomilor. Prin dezvoltarea unor microscoape electronice cu adevărat puternice putem să privim adânc în interiorul lucrurile până la structura lor atomică internă.
De exemplu, în anul 2013 oamenii de știință au folosit un microscop cuantic pentru a produce prima imagine a interiorului unui atom de hidrogen. Uimitor!
Atomul de hidrogen. Credit: Stodolna et al. /Physical Review Letters
O scurtă istorie a atomului
450 î.Hr.: Filosofii greci antici Leucippus și Democrit au fost primii care au propus că materia este formată din atomi.
1661: Chimistul irlandez Robert Boyle (1627-1691) a sugerat că elementele chimice sunt cele mai simple forme ale materiei.
1789: Francezul Antoine Lavoisier (1743–1794), cunoscut drept ”părintele chimiei moderne”, a prezentat o listă de elemente chimice pe care le-a definit ca fiind substanțe care nu pot fi scindate printr-o reacție chimică. Aceasta a fost o etapă importantă pe drumul către Tabelul Periodic al elementelor.
1803: Savantul englez John Dalton (1766-1844) a publicat teoria atomică a materiei. El a înţeles că fiecare element chimic era format din atomi.
1815: Chimistul englez William Prout (1785-1850) a sugerat că greutățile diferitelor elemente chimice sunt multiplii simpli ai greutății unui atom de hidrogen. Acest lucru nu este tocmai adevărat, dar a fost un alt indiciu important pentru înțelegerea modului cum se formează atomii.
1869: Bazându-se pe ideile lui Lavoisier, Dalton, Prout și alții, chimistul rus Dmitri Mendeleyev (1834–1907) a găsit un mod logic de organizare a elementelor chimice sub forma Tabelului Periodic.
1896: Fizicianul francez Henri Becquerel (1852–1908) a descoperit accidental radioactivitatea.
1917: Fizicianul englez, originar din Noua Zeelandă, Ernest Rutherford (1871–1937) a „sondat” atomul şi a dovedit că atomii sunt formaţi din particule mai mici, ajungând la concluzia că au un nucleu greu, încărcat electric pozitiv și o zonă în mare parte goală în jurul lor.
1919: Fizicianul britanic Francis Aston (1852–1908) a descoperit un număr mare de izotopi atomici folosind spectrometria de masă.
1938: Fizicienii germani Otto Hahn (1879–1978) și Fritz Strassmann (1902–1980) au obținut prima fisiune nucleară (scindarea unor atomi grei în atomi mai ușori).
1945: Statele Unite au aruncat bombe atomice asupra orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki.
Anii 1960-1970: Fizicienii au înţeles modul cum mai multe forțe fundamentale țin împreună particulele mici, ”subatomice”, care formează atomii. Ideile lor au devenit treptat cunoscute sub numele de Modelul Standard.
2013: Oamenii de știință au folosit un microscop cuantic pentru a face primele poze în interiorul unui atom de hidrogen.
Traducere şi adaptare după Atoms