Άτομα και μόρια

Γύρω μας υπάρχουν αμέτρητα υλικά: το νερό που πίνουμε, ο αέρας που αναπνέουμε, το αλάτι, η ζάχαρη, ο σίδηρος. Όλα αυτά, όσο διαφορετικά κι αν φαίνονται, έχουν κάτι κοινό: αν μπορούσαμε να τα μεγεθύνουμε πάρα πολύ, θα βλέπαμε ότι φτιάχνονται από απίστευτα μικροσκοπικά σωματίδια. Σε αυτή την ενότητα θα γνωρίσουμε τα δύο βασικά «τουβλάκια» από τα οποία είναι φτιαγμένη ολόκληρη η ύλη: τα άτομα και τα μόρια.

Μια ιδέα με πολύ μεγάλη ιστορία

Πριν από περίπου 2.500 χρόνια, ο αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος Δημόκριτος διατύπωσε μια εντυπωσιακή σκέψη. Υποστήριξε ότι, αν πάρουμε ένα κομμάτι ύλης και το κόβουμε συνέχεια σε όλο και μικρότερα κομμάτια, κάποια στιγμή θα φτάσουμε σε ένα σωματίδιο τόσο μικρό που δεν μπορεί πια να κοπεί. Αυτό το σωματίδιο το ονόμασε άτομο, λέξη που σημαίνει «αυτό που δεν τέμνεται, που δεν κόβεται».

Πολλούς αιώνες αργότερα, ο επιστήμονας Τζον Ντάλτον επανέφερε και βελτίωσε αυτή την ιδέα με μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία. Σύμφωνα με αυτήν, τα δομικά σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη είναι δύο ειδών: τα άτομα και τα μόρια.

Τι είναι το άτομο

Το άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης. Είναι το πιο μικρό «τουβλάκι» από το οποίο φτιάχνονται όλα τα υλικά. Επειδή είναι το μικρότερο, δεν αποτελείται από κάτι μικρότερο· αντίθετα, το ίδιο συμμετέχει στον σχηματισμό όλων των υλικών γύρω μας.

Τα άτομα είναι απίστευτα μικρά. Είναι τόσο μικροσκοπικά που δεν μπορούμε να τα δούμε ούτε με τα πιο ισχυρά κοινά μικροσκόπια. Παρόλα αυτά, υπάρχουν παντού και σε τεράστιους αριθμούς: ακόμη και μια σταγόνα νερό περιέχει έναν αριθμό ατόμων τόσο μεγάλο που δύσκολα τον φανταζόμαστε.

Τα χημικά στοιχεία και τα σύμβολά τους

Δεν είναι όλα τα άτομα ίδια. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη ατόμων. Κάθε είδος ατόμου αντιστοιχεί σε ένα χημικό στοιχείο.

Ένα χημικό στοιχείο είναι μια ουσία που αποτελείται από ένα μόνο είδος ατόμων. Για παράδειγμα, το υδρογόνο έχει μόνο άτομα υδρογόνου, το οξυγόνο έχει μόνο άτομα οξυγόνου και ο σίδηρος έχει μόνο άτομα σιδήρου.

Για να μη γράφουμε κάθε φορά ολόκληρο το όνομα, οι επιστήμονες συμφώνησαν να δίνουν σε κάθε χημικό στοιχείο ένα διεθνές σύμβολο, ίδιο σε όλο τον κόσμο. Το σύμβολο αποτελείται από ένα ή δύο γράμματα.

Τι είναι το μόριο

Τα άτομα σπάνια μένουν μόνα τους. Πολύ συχνά ενώνονται μεταξύ τους και φτιάχνουν μεγαλύτερα σωματίδια. Ένα μόριο δημιουργείται όταν δύο ή περισσότερα άτομα ενωθούν μεταξύ τους.

Το μόριο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης που μπορεί να υπάρχει ελεύθερο και να διατηρεί τις ιδιότητες της ουσίας από την οποία προέρχεται. Με άλλα λόγια, ένα μόριο νερού συνεχίζει να «συμπεριφέρεται» σαν νερό.

Πόσα άτομα έχει ένα μόριο; Ο ρόλος του δείκτη

Για να δείξουμε από ποια και πόσα άτομα αποτελείται ένα μόριο, χρησιμοποιούμε τον χημικό τύπο. Ο χημικός τύπος έχει τα σύμβολα των στοιχείων και έναν μικρό αριθμό κάτω δεξιά, που λέγεται δείκτης.

Ο δείκτης μάς λέει πόσα άτομα του στοιχείου υπάρχουν. Όταν δεν υπάρχει αριθμός, εννοούμε ότι υπάρχει ένα άτομο.

Για παράδειγμα, στο $H_2O$ ο δείκτης $2$ μάς λέει ότι υπάρχουν δύο άτομα υδρογόνου, ενώ το οξυγόνο δεν έχει δείκτη, άρα υπάρχει μόνο ένα άτομο οξυγόνου.

Δύο είδη μορίων

Εδώ βρίσκεται μια από τις πιο σημαντικές ιδέες της ενότητας. Όλα τα μόρια δεν είναι ίδια. Ξεχωρίζουμε δύο είδη, ανάλογα με το αν τα άτομα που τα φτιάχνουν είναι όμοια ή διαφορετικά.

Μόρια χημικών στοιχείων

Ένα μόριο χημικού στοιχείου αποτελείται από άτομα του ίδιου είδους, δηλαδή από όμοια άτομα ενός μόνο στοιχείου.

Για παράδειγμα, το μόριο του οξυγόνου $O_2$ φτιάχνεται από δύο άτομα οξυγόνου, το μόριο του υδρογόνου $H_2$ από δύο άτομα υδρογόνου και το μόριο του χλωρίου $Cl_2$ από δύο άτομα χλωρίου. Και στις τρεις περιπτώσεις, όλα τα άτομα του μορίου ανήκουν στο ίδιο στοιχείο.

Μόρια χημικών ενώσεων

Ένα μόριο χημικής ένωσης αποτελείται από άτομα διαφορετικών στοιχείων, ενωμένα μεταξύ τους.

Για παράδειγμα, το μόριο του νερού $H_2O$ περιέχει άτομα υδρογόνου και άτομα οξυγόνου, δηλαδή δύο διαφορετικά στοιχεία. Το μόριο του διοξειδίου του άνθρακα $CO_2$ περιέχει άτομα άνθρακα και άτομα οξυγόνου. Επειδή τα άτομα είναι διαφορετικά, οι ουσίες αυτές είναι χημικές ενώσεις.

Μια σημαντική ιδιότητα της χημικής ένωσης είναι ότι μπορεί να διασπαστεί στα χημικά στοιχεία που την αποτελούν. Το νερό, για παράδειγμα, μπορεί να διασπαστεί σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το χημικό στοιχείο, αντίθετα, δεν διασπάται σε κάτι πιο απλό, γι' αυτό λέμε ότι τα στοιχεία είναι οι πιο απλές καθαρές ουσίες.

Πώς αναπαριστούμε τα μόρια με προσομοιώματα

Επειδή τα άτομα και τα μόρια είναι πάρα πολύ μικρά και δεν μπορούμε να τα δούμε, οι επιστήμονες φτιάχνουν προσομοιώματα, δηλαδή μοντέλα που μας βοηθούν να τα φανταστούμε.

Στα προσομοιώματα, κάθε άτομο παριστάνεται με ένα μικρό σφαιρίδιο (μια μπαλίτσα). Για να ξεχωρίζουμε τα διαφορετικά στοιχεία, δίνουμε σε κάθε είδος ατόμου ένα δικό του χρώμα. Έτσι, όταν βλέπουμε δύο σφαιρίδια ίδιου χρώματος ενωμένα, καταλαβαίνουμε ότι πρόκειται για δύο όμοια άτομα, ενώ όταν βλέπουμε σφαιρίδια διαφορετικών χρωμάτων ενωμένα, πρόκειται για διαφορετικά άτομα.

Παρακάτω φαίνονται μερικά χρώματα που χρησιμοποιούμε συνήθως για τα σφαιρίδια:

Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε εύκολα να «διαβάσουμε» ένα προσομοίωμα:

• Αν όλα τα σφαιρίδια ενός μορίου έχουν το ίδιο χρώμα, τότε το μόριο έχει όμοια άτομα, άρα είναι μόριο χημικού στοιχείου.
• Αν το μόριο έχει σφαιρίδια με διαφορετικά χρώματα, τότε έχει άτομα διαφορετικών στοιχείων, άρα είναι μόριο χημικής ένωσης.

Για να μετρήσουμε πόσα άτομα από κάθε στοιχείο υπάρχουν, αρκεί να μετρήσουμε πόσα σφαιρίδια υπάρχουν από κάθε χρώμα. Κάθε σφαιρίδιο είναι ένα άτομο.

Ας βάλουμε τα πράγματα σε σειρά

Ας συνοψίσουμε τη «διαδρομή» από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο. Η ύλη αποτελείται από άτομα. Τα άτομα ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν μόρια. Ανάλογα με το είδος των ατόμων, τα μόρια χωρίζονται σε μόρια στοιχείων και μόρια ενώσεων.

Και η διάκριση των μορίων: