Materia, pierwiastki i atomy

Z czego składa się Twoje ciało? Pewnie najpierw pomyślisz, że z różnych narządów—takich jak serce, płuca i żołądek—które współpracują, aby utrzymać Cię przy życiu. Możesz też zejść do poziomu komórek, których różne typy budują Twój organizm. Jednak najbardziej podstawowymi elementami, z których składa się Twoje ciało—podobnie jak cały świat ożywiony i nieożywiony—są atomy, często połączone w większe struktury nazywane cząsteczkami.

Atomy i cząsteczki podlegają prawom chemii i fizyki, nawet gdy są częścią złożonej, żyjącej i oddychającej istoty. Jeśli uczyłeś się na chemii, że niektóre atomy mają tendencję do przyciągania lub oddawania elektronów oraz tworzenia wzajemnych wiązań między sobą, pozostaje to prawdą nawet gdy te same atomy i cząsteczki uczestniczą w budowie organizmu. Tak naprawdę to te proste oddziaływania między atomami—a konkretnie liczne ich kombinacje—umożliwiają istnienie życia. Oczywiście można by dyskutować ze stwierdzeniem, że wszystko, czym jesteśmy, łącznie ze świadomością, jest produktem chemicznych i elektrycznych oddziaływań między ogromną liczbą nieożywionych atomów.

Jako niezwykle złożona istota, zbudowana z około 7 000,000,000,000,000,000,000,000,000 atomów, zapewne zechcesz poznać podstawy chemii, zaczynając swoją przygodę z biologią i odkrywaniem tajemnic tego świata.

Termin materia odnosi się do wszystkiego, co zajmuje przestrzeń i ma masę - innymi słowami to "coś" z czego składa się wszechświat. Każda materia składa się z substancji zwanych pierwiastkami, które mają specyficzne własności chemiczne i fizyczne i nie mogą zostać rozbite na inne substancje poprzez zwykłe reakcje chemiczne. Na przykład złoto jest pierwiastkiem, ale jest nim także węgiel. Istnieje 118 pierwiastków, ale tylko 92 występuje naturalnie. Pozostałe powstają tylko w laboratoriach i są niestabilne.

Każdy pierwiastek jest określany swoim symbolem chemicznym, który jest pojedynczą dużą literą, albo kiedy pierwsza litera jest już "zajęta" przez inny element, kombinacją dwóch liter. Niektóre oznaczenia pierwiastków odpowiadają ich angielskim nazwom, tak jak C dla węgla (carbon) i Ca dla wapnia (calcium). Symbole innych pierwiastków chemicznych wywodzą się od nazw łacińskich, np. symbolem sodu jest Na, która jest skrótem od słowa natrium, łacińskiego wyrazu oznaczającego sód.

Cztery pierwiastki wspólne dla wszystkich organizmów żywych to tlen (O), węgiel (C), wodór (H), i azot (N), które wspólnie składają się na 96% ludzkiego ciała. W świecie nieożywionym, pierwiastki występują w różnych proporcjach, a niektóre pierwiastki wspólne dla organizmów żywych są stosunkowo rzadkie jeżeli chodzi o ich występowanie na ziemi. Wszystkie pierwiastki i reakcje chemiczne pomiędzy nimi podlegają tym samym prawom chemicznym i fizycznym, bez względu na to czy są częścią świata ożywionego czy nieożywionego.

Atom jest najmniejszą jednostką materii, która zachowuje wszystkie właściwości chemiczne danego pierwiastka. Na przykład złota moneta jest po prostu bardzo dużą liczbą atomów złota uformowanych w kształcie monety, z małą ilością innych zanieczyszczeń. Atomy złota nie mogą być rozbite na coś mniejszego, nadal zachowującego właściwości złota. Atom złota uzyskuje swoje właściwości dzięki własnościom jescze mniejszych cząstek, z których się składa.

Atomy mają dość zaskakującą strukturę, są prawie puste. Większość masy atomu skupiona jest w maleńkiej (w porównaniu do promienia atomu) cząsteczce zwanej jądrem atomowym. Jądro znajduje się w centrum atomu. Zbudowane jest z dodatnio naładowanych cząstek zwanychprotonami i neutralnych, nienaładowanych cząstkek zwanych neutronami. Jądro atomowe otacza "chmura" elektronów, lekkich, ujemnie naładowanych cząstek, które krążą wokół jądra. Przyciąganie pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami a ujemnie naładowanymi elektronami utrzymuje atom w równowadze. Większość atomów zawiera wszystkie trzy typy cząstek elementarnych - protony, elektrony i neutrony. Wodór (H) jest wyjątkiem, ponieważ zazwyczaj zawiera jeden proton i jeden elektron, ale żadnych neutronów. Liczba protonów w jądrze określa liczbę atomową, a zatem rodzaj pierwiastka chemicznego, podczas gdy własności chemiczne pierwiastka zależą od liczby i konfiguracji elektronów otaczających jądro. Trzy rodzaje cząstek elementarnych są przedstawione poniżej dla atomu helu - którego jądro zawiera dwa protony i dwa neutrony, a chmura elektronowa składa się z dwóch elektronów.

Protony i neutrony nie mają tego samego ładunku, ale mają w przybliżeniu taką samą masę, około $1,67\times {10}^{-24}$‍ grama. Ponieważ gram nie jest bardzo wygodną jednostką do mierzenia masy tak małej, naukowcy postanowili zdefiniować alternatywną miarę, czyli jednostkę masy atomowej (ang. atomic mass unit, amu) lub dalton. Pojedynczy neutron lub proton ma masę bardzo zbliżoną do 1 amu. Elektrony mają znacznie mniejszą masę niż protony, tylko około 1/1800 jednostki masy atomowej, więc nie wnoszą wiele do ogólnej masy atomowej pierwiastka. Z drugiej strony elektrony znacznie wpływają na ładunek atomu, ponieważ każdy elektron ma ładunek ujemny równy dodatniemu ładunkowi protonu. W nienaładowanych, neutralnych atomach liczba elektronów krążących wokół jądra jest równa liczbie protonów wewnątrz jądra. Dodatnie i ujemne ładunki znoszą się, prowadząc do powstania obojętnego elektrycznie atomu.

Protony, neutrony i elektrony są bardzo małe i większość objętości atomu - ponad 99 procent—zajmuje pusta przestrzeń. Skoro tej pustej przestrzeni jest tam aż tak wiele, to dlaczego materiały, które nas otaczają, potocznie zwane ciałami stałymi, nie przenikają się wzajemnie? Otóż ujemnie naładowane elektrony, krążące wokół poszczególnych jąder atomowych, odpychają się wzajemnie, tworząc wrażenie twardej, solidnej struktury.