Structura materiei și legăturile

Materia este alcătuită din particule. Atomul are nucleu cu protoni și neutroni, în jurul căruia se află electroni. Numărul protonilor definește elementul chimic. Un ion rezultă când un atom sau un grup de atomi pierde ori câștigă electroni. Molecula este o grupare de atomi legați; apa are formula H₂O. Un element conține atomi cu același număr atomic; un compus conține elemente diferite legate chimic; un amestec reunește substanțe fără o compoziție chimică fixă.

Legătura ionică rezultă din atracția dintre ioni cu sarcini opuse, iar legătura covalentă implică punerea în comun a perechilor de electroni. Într-un cristal, particulele sunt ordonate repetitiv; cristalele nu sunt toate alcătuite din molecule discrete. Sarea de bucătărie, NaCl, formează rețea ionică; apa are molecule cu legături covalente. Dizolvarea sării în apă produce amestec omogen, nu transformă NaCl în element. Proprietățile unei substanțe depind și de structura ei, nu doar de formula simplă.

Atomul și ionul, în numere. Numărul atomic $Z$ este numărul protonilor; numărul de masă $A$ este suma protonilor și neutronilor, $A=Z+N$. Izotopii aceluiași element au același $Z$ și $N$ diferit. Un atom neutru are tot atâția electroni câți protoni; ionul pozitiv (cationul) are mai puțini electroni, ionul negativ (anionul) mai mulți.

Tabelul periodic. Elementele sunt ordonate crescător după $Z$, în perioade (rânduri) și grupe (coloane). Elementele aceleiași grupe au proprietăți chimice asemănătoare. Metalele (Na, Fe, Cu) conduc curentul electric; nemetalele (O, S, Cl) de regulă nu.

Tipuri de legături și forțe. Legătura ionică leagă ioni de sarcini opuse (NaCl). Legătura covalentă pune în comun perechi de electroni (H₂, O₂, H₂O, CO₂). Între molecule acționează forțe slabe: forțele van der Waals și legăturile de hidrogen. Legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă explică temperatura ridicată de fierbere a apei și faptul că gheața are densitate mai mică decât apa lichidă. Macromoleculele (amidonul, proteinele, ADN-ul) sunt molecule foarte mari, formate din multe unități legate. Compușii organici conțin carbon legat de hidrogen (metan, CH₄; glucoză, C₆H₁₂O₆); apa, sarea și dioxidul de carbon sunt compuși anorganici.

Starea cristalină. Cristalele ionice (NaCl) sunt dure și fragile, cele covalente (diamantul) sunt foarte dure, iar cele moleculare (iodul, gheața) sunt moi și se topesc ușor. Cristalele metalice conduc curentul electric.

Exemplu lucrat 1. Compari aerul, apa și oxigenul. Aerul este amestec de gaze, apa este compus H₂O, iar oxigenul molecular O₂ este substanță simplă formată dintr-un singur element. Clasificarea se bazează pe compoziție, nu pe starea gazoasă sau lichidă.

Exemplu lucrat 2: ionul de sodiu. Atomul de sodiu are $Z=11$: 11 protoni și 11 electroni. Prin pierderea unui electron devine ionul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ cu 11 protoni și 10 electroni; sarcina totală este $+11-10=+1$. Atomul de clor ($Z=17$) câștigă un electron și devine $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, cu 18 electroni. Atracția dintre $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ formează cristalul de NaCl.

Exemplu lucrat 3: masa moleculară relativă. Pentru apă, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, cu masele atomice relative $1$ pentru H și $16$ pentru O: $M=2\cdot 1+16=18$. Pentru dioxidul de carbon, $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, cu $12$ pentru C: $M=12+2\cdot 16=44$. Masa moleculară relativă nu are unitate de măsură, pentru că arată de câte ori molecula este mai grea decât a douăsprezecea parte din masa atomului de carbon-12.

Greșeli frecvente

• Greșit: O₂ este compus fiindcă are doi atomi.
  Corect: ambii sunt ai aceluiași element.
• Greșit: aerul este un compus cu formulă fixă.
  Corect: aerul este amestec.
• Greșit: ionul are mereu mai mulți protoni decât atomul.
  Corect: ionizarea schimbă numărul de electroni.

Înainte și după