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La sostanza dell’universo—da un granello di sabbia ad una stella è chiamata materia., Gli scienziati definiscono la materia come tutto ciò che occupa lo spazio e ha massa. La massa di un oggetto e il suo peso sono concetti correlati, ma non del tutto uguali. La massa di un oggetto è la quantità di materia contenuta nell’oggetto, ed è la stessa se quell’oggetto si trova sulla Terra o nell’ambiente a gravità zero dello spazio esterno. Il peso di un oggetto, d’altra parte, è la sua massa come influenzata dalla forza di gravità. Il peso di un oggetto è maggiore dove la forza di gravità è più forte di dove la gravità è meno forte., Ad esempio, un oggetto di una certa massa pesa meno sulla luna di quanto non faccia sulla Terra perché la gravità della luna è inferiore a quella della Terra. In altre parole, il peso è variabile ed è influenzato dalla gravità. Un pezzo di formaggio che pesa un chilo sulla Terra pesa solo poche once sulla luna.

Elementi e composti

Tutta la materia nel mondo naturale è composta da una o più delle 92 sostanze fondamentali chiamate elementi. Un elemento è una sostanza pura che si distingue da tutte le altre materie per il fatto che non può essere creata o scomposta con mezzi chimici ordinari., Mentre il tuo corpo può assemblare molti dei composti chimici necessari per la vita dai loro elementi costitutivi, non può creare elementi. Devono provenire dall’ambiente. Un esempio familiare di un elemento che si deve prendere in è il calcio (Ca++). Il calcio è essenziale per il corpo umano; viene assorbito e utilizzato per una serie di processi, tra cui il rafforzamento delle ossa. Quando si consumano prodotti lattiero-caseari il sistema digestivo si rompe il cibo in componenti abbastanza piccoli da attraversare nel flusso sanguigno. Tra questi c’è il calcio, che, poiché è un elemento, non può essere ulteriormente scomposto., Il calcio elementare nel formaggio, quindi, è lo stesso del calcio che forma le ossa. Alcuni altri elementi che si potrebbe avere familiarità con sono ossigeno, sodio e ferro. Gli elementi nel corpo umano sono mostrati nella Figura 2.1.1, iniziando con i più abbondanti: ossigeno (O), carbonio (C), idrogeno (H) e azoto (N). Il nome di ogni elemento può essere sostituito da un simbolo di una o due lettere; acquisirai familiarità con alcuni di questi durante questo corso. Tutti gli elementi del tuo corpo derivano dagli alimenti che mangi e dall’aria che respiri.,

In natura, gli elementi si verificano raramente da soli. Invece, si combinano per formare composti. Un composto è una sostanza composta da due o più elementi uniti da legami chimici. Ad esempio, il glucosio composto è un importante combustibile per il corpo. È sempre composto dagli stessi tre elementi: carbonio, idrogeno e ossigeno., Inoltre, gli elementi che compongono un dato composto si verificano sempre nelle stesse quantità relative. Nel glucosio, ci sono sempre sei unità di carbonio e sei unità di ossigeno per ogni dodici unità di idrogeno. Ma cosa sono esattamente queste “unità” di elementi?

Atomi e particelle subatomiche

Un atomo è la più piccola quantità di un elemento che conserva le proprietà uniche di quell’elemento. In altre parole, un atomo di idrogeno è un’unità di idrogeno—la più piccola quantità di idrogeno che può esistere. Come puoi immaginare, gli atomi sono quasi insondabilmente piccoli., Il periodo alla fine di questa frase è largo milioni di atomi.

Struttura atomica ed energia

Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche ancora più piccole, che includono tre tipi importanti: il protone, il neutrone e l’elettrone. Il numero di protoni caricati positivamente e neutroni non caricati (“neutri”), dà massa all’atomo e il numero di ciascuno nel nucleo dell’atomo determina l’elemento. Il numero di elettroni caricati negativamente che” girano ” attorno al nucleo vicino alla velocità della luce è uguale al numero di protoni., Un elettrone ha circa 1/2000 la massa di un protone o neutrone.

Figura 2.1.2 mostra due modelli che possono aiutare a immaginare la struttura di un atomo-in questo caso, elio (He). Nel modello planetario, i due elettroni dell’elio sono mostrati attorno al nucleo in un’orbita fissa raffigurata come un anello. Sebbene questo modello sia utile per visualizzare la struttura atomica, in realtà gli elettroni non viaggiano in orbite fisse, ma sfrecciano attorno al nucleo in modo irregolare in una cosiddetta nube di elettroni.

I protoni e gli elettroni di un atomo trasportano cariche elettriche. I protoni, con la loro carica positiva, sono designati p+. Gli elettroni, che hanno una carica negativa, sono designati e -., I neutroni di un atomo non hanno carica: sono elettricamente neutri. Proprio come un magnete si attacca a un frigorifero in acciaio perché le loro cariche opposte si attraggono, i protoni caricati positivamente attraggono gli elettroni caricati negativamente. Questa attrazione reciproca conferisce all’atomo una certa stabilità strutturale. L’attrazione da parte del nucleo caricato positivamente aiuta a mantenere gli elettroni di allontanarsi lontano. Il numero di protoni ed elettroni all’interno di un atomo neutro sono uguali, quindi la carica complessiva dell’atomo è bilanciata.,

Numero atomico e Numero di massa

Un atomo di carbonio è unico al carbonio, ma un protone di carbonio non lo è. Un protone è lo stesso di un altro, sia che si trovi in un atomo di carbonio, sodio (Na) o ferro (Fe). Lo stesso vale per neutroni ed elettroni. Quindi, cosa conferisce a un elemento le sue proprietà distintive—cosa rende il carbonio così diverso dal sodio o dal ferro? La risposta è la quantità unica di protoni ciascuno contiene. Il carbonio per definizione è un elemento i cui atomi contengono sei protoni. Nessun altro elemento ha esattamente sei protoni nei suoi atomi., Inoltre, tutti gli atomi di carbonio, che si trovino nel fegato o in un pezzo di carbone, contengono sei protoni. Quindi, il numero atomico, che è il numero di protoni nel nucleo dell’atomo, identifica l’elemento. Poiché un atomo di solito ha lo stesso numero di elettroni come protoni, il numero atomico identifica il solito numero di elettroni pure.

Nella loro forma più comune, molti elementi contengono anche lo stesso numero di neutroni dei protoni. La forma più comune di carbonio, ad esempio, ha sei neutroni e sei protoni, per un totale di 12 particelle subatomiche nel suo nucleo., Il numero di massa di un elemento è la somma del numero di protoni e neutroni nel suo nucleo. Quindi la forma più comune del numero di massa del carbonio è 12. Gli elettroni hanno così poca massa che non contribuiscono in modo apprezzabile alla massa di un atomo. Il carbonio è un elemento relativamente leggero; l’uranio (U), al contrario, ha un numero di massa di 238 ed è indicato come un metallo pesante. Il suo numero atomico è 92 (ha 92 protoni) ma contiene 146 neutroni; ha la maggior massa di tutti gli elementi naturali.

La tavola periodica degli elementi, mostrata in Figura 2.1.,3, è un grafico che identifica i 92 elementi trovati in natura, così come diversi elementi più grandi e instabili scoperti sperimentalmente. Gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico, con idrogeno ed elio nella parte superiore del tavolo, e gli elementi più massicci sotto. La tavola periodica è un dispositivo utile perché per ogni elemento, identifica il simbolo chimico, il numero atomico e il numero di massa, mentre organizza gli elementi in base alla loro propensione a reagire con altri elementi. Il numero di protoni ed elettroni in un elemento sono uguali., Il numero di protoni e neutroni può essere uguale per alcuni elementi, ma non sono uguali per tutti.

Isotopi

Sebbene ogni elemento abbia un numero unico di protoni, può esistere come isotopi diversi. Un isotopo è una delle diverse forme di un elemento, distinto l’uno dall’altro da diversi numeri di neutroni. L’isotopo standard del carbonio è 12C, comunemente chiamato carbonio dodici., 12C ha sei protoni e sei neutroni, per un numero di massa di dodici. Tutti gli isotopi del carbonio hanno lo stesso numero di protoni; pertanto, 13C ha sette neutroni e 14C ha otto neutroni. I diversi isotopi di un elemento possono anche essere indicati con il numero di massa sillabato (ad esempio, C-12 invece di 12C). L’idrogeno ha tre isotopi comuni, mostrati nella figura 2.1.4.

Un isotopo che contiene più del solito numero di neutroni viene definito isotopo pesante. Un esempio è 14C. Isotopi pesanti tendono ad essere instabile, e isotopi instabili sono radioattivi. Un isotopo radioattivo è un isotopo il cui nucleo decade prontamente, emettendo particelle subatomiche ed energia elettromagnetica., Diversi isotopi radioattivi (chiamati anche radioisotopi) differiscono nella loro emivita, il tempo necessario per la metà di qualsiasi campione di dimensioni di un isotopo a decadere. Ad esempio, l’emivita del trizio-un radioisotopo dell’idrogeno—è di circa 12 anni, indicando che ci vogliono 12 anni perché metà dei nuclei di trizio in un campione decada. L’eccessiva esposizione agli isotopi radioattivi può danneggiare le cellule umane e persino causare cancro e difetti alla nascita, ma quando l’esposizione è controllata, alcuni isotopi radioattivi possono essere utili in medicina. Per ulteriori informazioni, vedere le connessioni di carriera.,

Il comportamento degli elettroni

Nel corpo umano, gli atomi non esistono come entità indipendenti. Piuttosto, reagiscono costantemente con altri atomi per formare e abbattere sostanze più complesse., Per comprendere appieno l’anatomia e la fisiologia è necessario comprendere come gli atomi partecipano a tali reazioni. La chiave è capire il comportamento degli elettroni.

Sebbene gli elettroni non seguano orbite rigide a una certa distanza dal nucleo dell’atomo, tendono a rimanere all’interno di determinate regioni dello spazio chiamate gusci di elettroni. Un guscio di elettroni è uno strato di elettroni che circondano il nucleo ad un livello di energia distinto.,

Gli atomi degli elementi trovati nel corpo umano hanno da uno a cinque gusci di elettroni, e tutti i gusci di elettroni contengono otto elettroni tranne il primo guscio, che può contenere solo due. Questa configurazione di gusci di elettroni è la stessa per tutti gli atomi. Il numero preciso di gusci dipende dal numero di elettroni nell’atomo. Idrogeno ed elio hanno solo uno e due elettroni, rispettivamente., Se si dà un’occhiata alla tavola periodica degli elementi, si noterà che l’idrogeno e l’elio sono posizionati da soli su entrambi i lati della riga superiore; sono gli unici elementi che hanno un solo guscio di elettroni (Figura 2.1.6). Un secondo guscio è necessario per contenere gli elettroni in tutti gli elementi più grandi di idrogeno ed elio.

Il litio (Li), il cui numero atomico è 3, ha tre elettroni. Due di questi riempiono il primo guscio di elettroni e il terzo si rovescia in un secondo guscio. Il secondo guscio di elettroni può ospitare fino a otto elettroni., Il carbonio, con i suoi sei elettroni, riempie interamente il suo primo guscio e riempie a metà il suo secondo. Con dieci elettroni, neon (Ne) riempie interamente i suoi due gusci di elettroni. Ancora una volta, uno sguardo alla tavola periodica rivela che tutti gli elementi della seconda fila, dal litio al neon, hanno solo due gusci di elettroni. Gli atomi con più di dieci elettroni richiedono più di due gusci. Questi elementi occupano la terza e le successive righe della tavola periodica.

Il fattore che governa più fortemente la tendenza di un atomo a partecipare a reazioni chimiche è il numero di elettroni nel suo guscio di valenza. Un guscio di valenza è il guscio elettronico più esterno di un atomo. Se il guscio di valenza è pieno, l’atomo è stabile, il che significa che è improbabile che i suoi elettroni vengano allontanati dal nucleo dalla carica elettrica di altri atomi. Se il guscio di valenza non è pieno, l’atomo è reattivo, il che significa che tenderà a reagire con altri atomi in modi che rendono il guscio di valenza pieno., Considera l’idrogeno, con il suo unico elettrone che riempie solo a metà il suo guscio di valenza. È probabile che questo singolo elettrone venga coinvolto in relazioni con gli atomi di altri elementi, in modo che il singolo guscio di valenza dell’idrogeno possa essere stabilizzato.

Tutti gli atomi (tranne l’idrogeno e l’elio con i loro gusci a singolo elettrone) sono più stabili quando ci sono esattamente otto elettroni nel loro guscio di valenza. Questo principio è indicato come la regola dell’ottetto, e afferma che un atomo si arrende, guadagna o condivide elettroni con un altro atomo in modo che finisca con otto elettroni nel proprio guscio di valenza., Ad esempio, l’ossigeno, con sei elettroni nel suo guscio di valenza, è probabile che reagisca con altri atomi in un modo che si traduce nell’aggiunta di due elettroni al guscio di valenza dell’ossigeno, portando il numero a otto. Quando due atomi di idrogeno condividono ciascuno il loro singolo elettrone con l’ossigeno, si formano legami covalenti, dando luogo a una molecola di acqua, H2O.

In natura, gli atomi di un elemento tendono a unirsi con atomi di altri elementi in modi caratteristici. Ad esempio, il carbonio riempie comunemente il suo guscio di valenza collegandosi con quattro atomi di idrogeno., Così facendo, i due elementi formano la più semplice delle molecole organiche-metano – che è anche uno dei composti contenenti carbonio più abbondanti e stabili sulla Terra. Come detto sopra, un altro esempio è l’acqua; l’ossigeno ha bisogno di due elettroni per riempire il suo guscio di valenza. Interagisce comunemente con due atomi di idrogeno, formando H2O. Per inciso, il nome “idrogeno” riflette il suo contributo all’acqua (hydro- = “acqua”; -gen = “creatore”). Quindi, l’idrogeno è il ” creatore di acqua.,”