You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Provavelmente sabem que toda a matéria é feita de átomos e que um átomo é uma partícula muito, muito minúscula. Cada átomo tem um núcleo, que é composto por, pelo menos, uma partícula de carga positiva chamada protão, e, na maior parte dos casos, um certo número de partículas neutras, chamadas neutrões. Esse núcleo está rodeado de partículas de carga negativa, chamadas eletrões. A identidade de um átomo é determinada apenas pelo número de protões do seu núcleo. O hidrogénio é hidrogénio porque tem só um protão, o carbono é carbono porque tem seis, o ouro é ouro porque tem 79, e, assim sucessivamente. Permitam-me uma diversão momentânea. Como conhecemos a estrutura atómica? Não vemos os protões, os neutrões nem os eletrões. Assim, fazemos uma série de experiências e desenvolvemos um modelo para o que pensamos que há ali. Depois, fazemos mais experiências e vemos se estão de acordo com o modelo. Se assim for, ótimo. Se não, é altura de fazer outro modelo. Tivemos muitos modelos diferentes para os átomos desde Demócrito, em 400 a.C., e certamente, aparecerão muitos mais. Ok, fim do aparte. Os núcleos dos átomos tendem a unir-se mas os eletrões têm liberdade de movimento, e é por isso que os químicos adoram os eletrões. Se pudéssemos casar com eles, talvez o fizéssemos. Mas os eletrões são estranhos. Ora parecem comportar-se como partículas, como pequenas bolas de basebol, ora como ondas, como ondas de água, consoante a experiência que realizarmos. Uma das coisas mais estranhas nos eletrões é que não conseguimos dizer ao certo onde estão. Não é por não termos equipamento, é que esta incerteza faz parte do nosso modelo do eletrão. Não podemos localizá-lo, tudo bem. Mas podemos dizer que há uma certa probabilidade de encontrar um eletrão num determinado espaço em volta do núcleo. Isso significa que podemos fazer a seguinte pergunta: Se desenhássemos uma forma em volta do núcleo de modo a termos 95% de certeza de encontrar um determinado eletrão dentro dessa forma, qual seria o seu aspeto? Estas são algumas dessas formas. Os químicos chamam-lhes orbitais e o aspeto de cada uma delas depende, entre outras coisas, da quantidade de energia que têm. Quanto mais energia tem uma orbital mais longe do núcleo está a sua densidade. A propósito, porque é que escolhemos 95% em vez de 100%? Essa é outra peculiaridade do nosso modelo do eletrão. A partir de uma certa distância do núcleo a probabilidade de encontrar um eletrão começa a diminuir, mais ou menos exponencialmente, o que significa que, embora se vá aproximando de zero, nunca chegará a zero. Portanto, em cada átomo há uma probabilidade pequena, mas diferente de zero, de, por um período de tempo muito curto, um dos seus eletrões estar do outro lado do universo conhecido. Mas a maior parte dos eletrões permanecem perto do seu núcleo como nuvens de densidade de carga negativa que mudam e se movimentam ao longo do tempo. A forma como os eletrões de um átomo interagem com os eletrões de outro determina quase tudo. Os átomos podem ceder os seus eletrões, entregando-os a outros átomos ou podem partilhar eletrões. A dinâmica desta rede social é o que torna interessante a química. Das vulgares rochas antigas à bela complexidade da vida, a natureza de tudo o que vemos, ouvimos, cheiramos, saboreamos, tocamos e sentimos é determinada a nível atómico.