Universul e făcut din piese Lego

Diamantul, cărbunele și grafitul sunt trei substanțe care sunt făcute doar din atomi de carbon. Și totuși, sunt atât de diferite! Dar dacă sunt create în mod egal, din aceiași atomi, atunci ce le deosebește? De ce diamantul este de sute de ori mai dur ca grafitul din creioanele noastre? În mod surprinzător, o substanță, un corp, o clădire, un câine, o floare nu depind doar de atomii din care sunt făcute, ci și de felul în care aceștia sunt legați unul de celălalt. Hai să vedem!

 Cum se face un om

Corpul uman este făcut dintr-o grămadă de substanțe chimice: primele trei cele mai abundente sunt oxigenul, carbonul și hidrogenul. Pe restul le vezi mai jos:

Și totuși, dacă te trezești să pui într-un recipient (cum a făcut Carl Sagan aici) toate elementele de mai sus și le amesteci, o să îți iasă o supă neatractivă și probabil nu foarte gustoasă, dar în nici un caz nu o să îți iasă un om sau măcar o moleculă de ceva. Ce ne deosebește pe noi de supa respectivă este că avem atomii din corp aranjați într-un anumit fel. Ei formează niște molecule, niște compuși.

În momentul de față știm că toate elementele tabelului periodic de la 1 la 92 (cu excepția lui 43 – technețiu și 61 – promețiu) apar în mod natural pe Pământ. Astea-s toate elementele (adică tipurile de atomi) de care știm. Moleculele, însă, sunt o infinitate în Univers. Chiar nu putem da un număr maxim al acestora.

Sunt o infinitate de moduri prin care atomii se pot lega unul de celălalt, formând astfel molecule sau compuși, asta pentru că fiecare atom al unui element chimic are un mod specific prin care se poate lega de alt atom al altui element chimic.

Diferența dintre moleculă și compus

Diferența dintre moleculă și compus este simplă: molecula este formată în momentul în care doi sau mai mulți atomi se lipesc unul de celălalt prin procedee chimice, în timp ce compusul este o moleculă care conține cel puțin două elemente chimice diferite. Practic, toți compușii sunt molecule, dar nu toate moleculele sunt compuși.

Hidrogenul molecular (H₂ – adică doi atomi de hidrogen uniți), oxigenul molecular (O₂) și azotul molecular (N₂) nu sunt compuși pentru că fiecare este compus dintr-un singur element chimic. Apa (H₂O), dioxidul de carbon (CO₂) și metanul (CH₄) sunt compuși pentru că sunt făcuți din mai multe elemente chimice.

Cu toate acestea, cea mai mică parte din fiecare din aceste substanță o să fie mereu numită moleculă. De exemplu, o singură moleculă de hidrogen molecular este creată din doi atomi de hidrogen, în timp ce o moleculă de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen.

E ca și cum ai avea un set de piese Lego: ai vreo 30 de piese de un fel, 40 de un alt fel și încă vreo 29 de mai multe feluri. Și alea sunt, nu ai mai multe piese, dar îți sunt suficiente ca să faci mii de combinații. Așa e și omul: o grămadă de atomi organizați într-un anumit fel.

 “Dați-mi și mie o legătură de…”

Dar atomii nu se leagă așa pur și simplu unul de celălalt. Există niște legături specifice pe care ei le pot forma și toate implică electroni. Clar vorbim imediat și despre ele, dar înainte de asta, o scurtă recapitulare a atomului:

• Este neutru din punct de vedere electric: protonii din nucleu sunt pozitivi, neutronii sunt neutri, electronii sunt negativi. Atomul va încerca mereu să devină neutru, adică numărul de protoni din nucleu să fie egal cu numărul de electroni. Nu suportă să aibă altă sarcină electrică.
• Electronii unui atom sunt situați (conform modelului atomic al lui Niels Bohr) pe anumite nivele energetice, care pot acomoda un număr maxim de electroni: primul poate lua 2, al doilea poate lua 8, al treilea poate lua 18, al patrulea poate lua 32, al cincilea poate lua 50, al șaselea poate lua 72 de electroni.

 

• De orice nivel energetic ai vorbi, sunt o grămadă de atomi care îl au pe ultimul incomplet, iar lor nu le place nici asta. Vor neapărat să fie împliniți, adică să aibă toate nivelele complete. Ei vor încerca mereu să aibă ultimul nivel energetic cât mai plin posibil cu electroni. De exemplu, hidrogenul are un singur electron pe primul (și singurul său) nivel energetic, el va încerca să se agațe de orice îi poate da și lui un electron, astfel încât să aibă primul strat complet (2 electroni). Heliul nu prea se combină cu alte elemente, pentru că el are singurul său strat ocupat de 2 electroni, deci nu vrea să ia și nici să dea nimic.

Acum că ne-am reamintit chestiile astea, hai să vedem ce tipuri de legături pot exista între atomi:

Legătura ionică

Legăturile ionice se pot forma între atomi individuali sau grupuri de atomi, dar noi vom vorbi aici de atomi individuali pentru că nu are rost să ne complicăm. Cel mai la îndemână exemplu de legătură ionică este cel ce are loc în clorura de sodiu, adică sarea de bucătărie. Cu ce pornești? Un atom de sodiu (Na) și un atom de clor (Cl), ambii neutri din punctul de vedere al sarcinii electrice. Deci sunt echilibrați aici. Problema apare la nivelele energetice ale lor: ambii atomi au ultimul strat de electroni incomplet!

Sodiul are 11 electroni în total: 2 pe primul strat (deci e plin), 8 pe al doilea strat (deci e plin), 1 pe al treilea strat. Opa! Al treilea strat ar trebui să aibă 18 electroni, ca să fie mulțumit. De unde să mai facă sodiul rost de încă 17 electroni, acuma? N-are de unde. Nu rămâne decât să scape cumva de electronul ăla, pentru a fi mulțumit. Clorul are 17 electroni în total: 2 pe primul strat (plin), 8 pe al doilea strat (plin), 7 pe al treilea strat. Iar nu e plin. Nici ăsta. Ce să facă atomul de clor? Să renunțe la 7 electroni ca să golească ultimul nivel energetic? De ar fi atât de simplu! Nu rămâne decât să ia de undeva încă un electron, ca să fie mulțumit.

 

Ce bine că ești, ce mirare că sunt! Acum e atât de simplu: atomul de sodiu renunță bucuros la ultimul electron, pe care atomul de clor va fi mai mult decât fericit să îl primească. Ambii sunt mulțumiți. Dar se mai întâmplă ceva: acum nici unul din ei nu mai e neutru din punct de vedere electric.

Sodiul are mai mulți protoni decât electroni, deci are sarcina electrică pozitivă: a devenit un ion pozitiv, adică un cation. Atomul de clor, în schimb, are mai mulți electroni decât protoni, deci are sarcina electrică negativă: a devenit un ion negativ, adică un anion. Atomii din sarea de bucătărie sunt ținuți împreună pentru că au sarcinile electrice opuse, deci forța electromagnetică își intră în drepturi, atrăgând atomii.

În general, materialele solide care au legături ionice sunt:

• mai dure, pentru că atomii nu pot aluneca ușor unul pe lângă celălalt;
• bune izolatoare, pentru că nu există electroni sau ioni care să se plimbe hai-hui pe acolo: toți sunt ținuți strâns;
• transparente, pentru că electronii nu se plimbă de la atom la atom și e mult mai puțin probabil să interacționeze cu fotonii;
• au punctul de fierbere destul de înalt, pentru că legăturile ionice sunt puternice.

 Legătura metalică

Legătura metalică apare, după cum probabil îți dai seama, la metale și treaba cu ea stă cam așa: avem de exemplu niște atomi de aluminiu (Al), fiecare are în total 13 electroni (2 pe primul strat, 8 pe al doilea strat, 3 pe al treilea strat).

Firește, la fel ca atomul de sodiu și clor, nici atomii de aluminiu nu sunt mulțumiti de situația ultimului strat de electroni (care trebuie să țină 18).

Dar în cazul legăturii metalice, se întâmplă ceva deosebit: în momentul în care mai mulți atomi de aluminiu se adună, cei trei electroni de pe ultimul nivel energetic al fiecăruia nu sunt foarte bine legați de nuclee, așa că se despart de atomi și formează un nor comun de electroni. Practic, atomii de aluminiu (deveniți acum cationi de aluminiu Al³⁺, adică au sarcină pozitivă, având cu trei mai mulți protoni decât electroni) înoată într-o supă de electroni ai tuturor.

În mod normal, cationii de aluminiu s-ar respinge (pentru că sunt toți cu +), dar îi ține în loc norul de electroni care este atras de nucleele lor (care sunt pozitive). Astfel, atomii se aranjează frumos, rigid și foarte aproape unul de celălalt.

Din cauză că metalele sunt formate din legături metalice care formează un nor de electroni, acestea sunt:

• bune conducătoare de electricitate și căldură;
• opace;
• relativ ductile.

Legătura covalentă

Ți-o spun din capul locului: legătura covalentă este cea mai puternică și rezistentă legătură dintre atomi (deși între molecule e meh…adică nu e atât de puternică), asta pentru că este vorba despre doi atomi care împart unul, doi sau chiar trei electroni. Cu cât sunt împărțiți mai mulți electroni, cu atât e mai greu să desparți atomii.

Să luăm ca exemplu molecula de apă: iarăși, avem trei atomi care nu sunt deloc fericiți. Avem doi atomi de hidrogen cărora le lipsește câte un electron, ca să aibă nivelul energetic complet, și un atom de oxigen căruia îi lipsesc doi electroni pentru a-și completa ultimul nivel energetic. Atomii de hidrogen se uită lung la atomul de oxigen, el se uită lung la ei și își zic că fac treabă mai bună dacă se unesc, decât să stea singuri și să nu fie nici unul satisfăcut.

Și uite așa încep să își împartă electronii de pe ultimul strat: un atom de hidrogen primește un electron de la oxigen, al doilea atom de hidrogen primește un alt electron de la oxigen, iar oxigenul primește electronul unui atom de hidrogen și încă un electron de la celălalt atom de hidrogen.

Ce trebuie să ții minte neapărat e că nu e ca la legătura ionică: niciunul din atomi nu renunță de tot la electronii săi, ci îi împarte. Electronii împărțiți se plimbă când la oxigen, când la hidrogen. Dar atenție, nu e nici legătură metalică, pentru că nu se crează niciun nor de electroni. 

Legătura covalentă poate fi: simplă (când se împarte doar un electron), dublă (când se împart doi electroni) și triplă (când se împart trei electroni). Cu cât se împart mai mulți electroni, cu atât legătura este mai puternică, iar atomii sunt mai greu de despărțit. Cu ajutorul legăturilor covalente se pot forma molecule cu adevărat uriașe (precum polimerii sau proteinele).

Acuma, să nu ne facem iluzii, că nu toți atomii vor să împartă electroni: gazele nobile (heliul – He, neonul – Ne, argonul – Ar, kryptonul – Kr, xenonul – Xe și radonul – Rn) se numesc așa pentru că abia dacă vor să împartă electroni cu alții. Elementele astea sunt destul de zgârcite. De ce? Pentru că fiecare din acești atomi au ultimul nivel energetic plin de electroni. Nu are nevoie să primească, nu vrea să dea.

Astea trei sunt principalele legături ce apar între atomi, dar nu sunt singurele. Mai sunt și legăturile intermoleculare, adică cele dintre molecule: forțele Van der Waals sau legăturile de hidrogen, pe care nu o să le explic aici pentru că sunt un pic mai avansate, dar care pot fi înțelese destul de ușor cu un pic de curiozitate și aprofundare. 

Izomeri: schimbarea la față a moleculelor 

Înainte să încheiem secțiunea asta, hai să menționez și izomerii. Ce sunt ăștia? Sunt niște “variante” ale diverselor molecule: practic, izomerii unei molecule ce conțin fix același număr și același tip de atomi ca molecula inițială, dar sunt aranjați diferit. Uită-te la exemplele de mai jos:

La ce te uiți? Primele două molecule sunt două molecule de propanol (notat cu C₃H₈O sau C₃H₇OH): prima (notată cu I) este mai exact o moleculă de propan-1-ol (n-propyl alcohol), ce de-a doua (notată cu II) este o moleculă de propan-2-ol (isopropyl alcohol). Deși au aceiași atomi, sunt două molecule diferite, pentru că atomii sunt dispuși diferit. A treia moleculă se numește methoxyethane (methyl-ethyl-ether) și nici măcar nu e considerată alcool, ci etanol, la cât de diferit sunt dispuși atomii, pentru că efectiv are alte proprietăți. Nu e nevoie să ții minte toate denumirile astea atâta timp cât înțelegi care-i faza cu izomerii.

 The Good and The Bad

Cum nimic nu este simplu în Universul ăsta, ci mai degrabă super complicat și complex, avem molecule care se descurcă mai bine cu anumite legături, iar altele care se descurcă absolut dezastruos.

Atomul de carbon este un miracol al naturii (eu am zis-o, nu scrie nicăieri asta): are capacitatea uimitoare de a forma legături covalente cu o grămadă de alte elemente într-o grămadă de feluri. Ai mai jos niște exemple:

Carbonul poate forma legături simple, duble, triple, în cerc, în linie, cum vrei tu! Poate forma molecule atât de mari și complexe și atât de ușor, încât era imposibil să nu facă el o nefăcută: toate formele de viață de pe Pământ sunt formate din carbon. Proteinele, lipidele, ADN-ul, o majoritate covârșitoare din moleculele dintr-un organism viu conține atomi de carbon.

Un atom de carbon are pe ultimul (adică al doilea) nivel energetic doar 4 electroni, iar asta îi permite să mai primească încă 4 electroni de oriunde e posibil.

Ar fi frumos dacă toți atomii s-ar purta așa când vine vorba de legăturile covalente, da’ uite că nu e cazul, iar viața nu e tot timpul drăguță cu tine. Așa a apărut substanța numită azidoazide azide (C₂N₁₄), deoarece chimiștii trebuie să aibă și ei coșmaruri noaptea.

Legătura covalentă dintre un atom de azot cu un alt atom de azot este triplă, ceea ce o face să fie una din cele mai puternice legături chimice din natură.

Ei bine, azidoazide azide (îi spunem AA de acum încolo) are 2 atomi de carbon și 14 atomi de azot, iar nici unul din aceștia nu formează o legătură triplă.

Ce înseamnă asta? Că se formează doar legături simple și duble între atomii de azot, iar lor nu le convine asta. Deloc. Practic ai o moleculă plină cu atomi de azot țâfnoși, cu nervii întinși la maxim și foarte energici, care așteaptă cel mai mic motiv ca să facă scandal. AA este cea mai explozivă substanță pe care o cunoaștem în momentul de față și poate exploda din următoarele motive:

• dacă o miști;
• dacă o atingi;
• dacă o dispersezi într-o soluție;
• dacă o lași în pace pe o plăcuță de sticlă;
• dacă o expui la lumină puternică;
• dacă o expui la raze X;
• dacă o pui într-un spectrometru;
• dacă pornești spectrometrul;
• dacă îi faci ABSOLUT NIMIC.

Chimiștilor le e frică să lucreze cu substanța asta. Au pus-o într-o valiză cu protecție antișoc, au pus valiza într-o încăpere întunecată cu temperatura controlată la modul cel mai strict, IAR MOSTRA DE AZIDOAZIDE AZIDE TOT A EXPLODAT.

Vezi tu, legăturile covalente conțin o grămadă de energie chimică, iar în momentul în care acestea sunt rupte, se eliberează o cantitate mai mare sau mai mică de energie, în funcție de moleculă. Legăturile dintre atomii de azot din AA conțin foarte multă energie chimică și sunt foarte slabe.

 Un model de urmat

Dacă tot am vorbit de molecule și de legăturile dintre atomii acestora, n-am putut să nu pun și niște ilustrații schematice ale felului în care arată diverse molecule. Firește, e nevoie de un model schematic, pentru că nu ai cum să reprezinți o moleculă cu toate chestiile din ea.

În modelul schematic de alături avem notate diverse elemente chimice (azot – N) sau compuși chimici (hidroxil – OH, HO sau dioxid de azot, cunoscut aici ca nitrit – NO₂ sau O₂N). La intersecțiile dintre aceste elemente (acolo unde nu este notată nici o literă) avem atomi de carbon.

Liniile reprezintă legăturile covalente: o singură linie indică o legătură covalentă simplă, o linie dublă indică o legătură covalentă dublă.

Am mai vorbit în postarea Top Model despre cât de utile ne sunt modelele științifice, chiar dacă sunt incomplete și deloc 100% precise. Sigur ai mai văzut modelul molecular de “minge cu bețe” (“stick-and-ball” model) până acum, cel care ne ajută să putem vizualiza moleculele în trei dimensiuni.

Când vine vorba de reprezentarea unei molecule, chiar nu are sens să stăm să reprezentăm și atomii cu electroni și cu nucleu, așa că îi reprezentăm cu ajutorul unor sfere legate între ele cu niște bețe. Acele bețe reprezintă electronii împărțiți între atomi, adică legăturile covalente.

Alături ai modelul unei molecule de cafeină (C₈H₁₀N₄O₂): cu alb ai atomii de hidrogen, cu negru ai atomii de carbon, cu albastru ai atomii de azot, iar cu roșu ai atomii de oxigen. Acum o să știi exact la ce te uiți, când nimerești cu așa ceva în față.

Și-am încălecat pe-o șa, și v-am spus povestea-așa. Normal, mai sunt o grămadă de vorbit despre legăturile dintre atomi și molecule, cum se poartă fiecare atom, cu se poartă fiecare moleculă, dar deja intrăm prea mult în pâine, în chestii ceva mai avansate, și n-are rost. Ar strica scopul acestei postări introductive. În orice caz, eu unul nu m-am plictisit de atomi și cum aș putea? Având în vedere că absolut orice vezi în jurul tău este rezultatul atomilor și a interacțiunilor dintre ei. Uite că azi am mai învățat ceva.