Molecule si Ioni

1. Generalitati

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.

Ideea ca orice material se compune din particule mici a aparut inca din vremea Grecei 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.

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 inceput 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.

2. 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 de fapt 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

3. 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.

4. 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 totalitate 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.

5. 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 element 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 cercetatorii 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.

6. 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 (sau greutatea atomica relativa) este media maselor izotopilor ce se intalnesc in natura, unitatea fiind 1/12 din masa atomica a izotopului de carbon-12. Masa moleculara relativa a unei substante este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula respectiva.

7. 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 multe intrebari. Din fericire pentru explicarea comportamentului materiei, in marea majoritate a cazurilor, este de ajuns si acest model mai simplu.

Inca din antichitate unii filozofi greci au emis ipoteza dupa care materia este formata din particule foarte mici, indivizibile, numite atomi ( in limba greaca insemnand indivizibil).

Teoria atomica a secolului al XIX lea este intarita prin ipoteza lui A.Avogadro (1811) care a permis masurarea maselor moleculare si atomice.

Daca in secolul al XIX lea atomul era considerat indivizibil, indestructibil si invariabil, astazi s-a stabilit ca atomii la randul lor sunt formati din alte particule.

Atomul reprezinta cea mai mica particula dintr-o substanta simpla si pura care poate exista si poate fi studiata independent.

Fiecare atom este format dintr-un nucleu cu sarcina electrica pozitiva, inconjurat de unul sau mai multi electroni, aceste particule avand sarcina electrica negativa.

Toti atomii unui element sunt identici intre ei, adica toti au aceeasi marime, proprietati oricare ar fi compozitia si proprietatile substantei din moleculele carora fac parte . De exemplu, atomii de hidrogen sunt identici chiar daca fac parte din moleculele unor substante atat de diferite cum ar fi : apa, amoniacul, acidul sulfuric, hidrogenul liber, etc.

Atomii sunt in continua miscare, ei se pot desface din moleculele in care se gasesc si apoi se pot regrupa altfel, formand molecule noi.

Deoarece atomii sunt cele mai mici particule ale elementelor ce pot forma combinatii chimice se poate spune ca ei reprezinta limita divizibilitatii chimice a materiei.

Atomii aceluiasi element care ocupa toti acelasi loc in tabelul periodic al elementelor, dar au mase atomice diferite se numesc izotopi ( in greceste isos = acelasi, topos = loc).

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. Cele doua tipuri simple de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica.

In legatura covalenta atomii pun in comun electronii. 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 invart in jurul ambelor nuclee, si astfel stau impreuna.

La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi electroni la atomul 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 global 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.

Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element 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.