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, você sabe que tudo que existe é formado por átomos e que um átomo é uma partícula extremamente minúscula. Cada átomo possui um núcleo, que é formado por pelo menos uma partícula positivamente carregada, chamada próton, e, na maioria dos casos, algumas partículas neutras, chamadas nêutrons. Esse núcleo é rodeado por partículas negativamente carregadas, chamadas elétrons. A identidade de um átomo é determinada apenas pelo número de prótons em seu núcleo. O hidrogênio é hidrogênio porque possui apenas um próton, o carbono é carbono porque possui 6, o ouro é ouro porque possui 79, e assim por diante. Deixe-me fazer um parêntese. Como é que conhecemos a estrutura do átomo? Não podemos ver os prótons, os nêutrons ou os elétrons. Então, fazemos um monte de experimentos e desenvolvemos um modelo daquilo que achamos que está lá. Depois, fazemos mais alguns experimentos para ver se eles comprovam o modelo. Se comprovarem, ótimo. Se não, talvez seja necessário outro modelo. Já tivemos vários modelos diferentes para os átomos desde Demócrito, em 400 a.C., e é bem provável que haverá muitos outros pela frente. Certo. Parêntese encerrado. As partículas do núcleo dos átomos tendem a ficarem unidas, mas os elétrons se movimentam livremente, e é por isso que os químicos adoram os elétrons. Se pudéssemos casar com eles, provavelmente o faríamos. Mas os elétrons são estranhos. Eles parecem se comportar tanto como partículas, como pequenas bolas de beisebol, ou como ondas, como ondas de água, dependendo do experimento que realizamos. Uma das coisas mais estranhas dos elétrons é que não podemos precisar sua localização. Não que não tenhamos os equipamentos necessários, mas porque essa incerteza faz parte do modelo que temos dos elétrons. Então, não podemos localizá-los com precisão. Certo. Mas podemos afirmar que há uma certa probabilidade de encontrarmos um elétron em determinado lugar em volta do núcleo. E isso significa que podemos fazer a seguinte pergunta: Se desenhássemos um contorno ao redor do núcleo, de tal forma que tivéssemos 95% de certeza de encontrar um elétron dentro desse espaço, como seria esse contorno? Eis alguns desses contornos. Os químicos os chamam de órbitas e o formato de cada uma delas depende, entre outras coisas, de quanta energia ela possui. Quanto mais energia uma órbita tiver, mais distante fica a sua densidade do núcleo. A propósito, por que escolhemos 95% e não 100%? Bem, essa é outra peculiaridade do nosso modelo do elétron. A determinada distância do núcleo, a probabilidade de encontrar um elétron começa a diminuir meio que exponencialmente, o que significa que, embora se aproxime de zero, na verdade, jamais vai chegar a zero. Então, em cada átomo, há uma probabilidade pequena, mas não nula, de que, por um período de tempo extremamente curto, um de seus elétrons esteja na outra extremidade do universo conhecido. Mas, sobretudo, os elétrons permanecem próximos de seu núcleo em forma de nuvens de densidade negativamente carregada que se modificam e se movem com o tempo. A forma como os elétrons de um átomo interagem com os elétrons de outro determina quase tudo. Os átomos podem abrir mão de seus elétrons, cedendo-os para outros átomos, ou podem compartilhar elétrons. E a dinâmica dessa rede social é o que torna essa química interessante. De simples rochas velhas à bela complexidade da vida, a natureza de tudo o que vemos, ouvimos, saboreamos, cheiramos, tocamos e até sentimos é determinada em nível atômico.