Matéria, átomos e elementos

Do que seu corpo é feito? Sua primeira ideia pode ser que ele é feito de diferentes órgãos—como seu coração, pulmões e estômago—que trabalham juntos para manter seu corpo funcionando. Ou você pode aprofundar um nível e dizer que seu corpo é formado por diferentes tipos de células. Contudo, no nível mais básico, seu corpo—e toda a vida e o mundo não vivo—é feito de átomos, geralmente organizados em estruturas maiores, chamadas de moléculas.

Átomos e moléculas respeitam as leis da química e da física, mesmo quando fazem parte de um ser vivo complexo. Se você aprendeu em química que alguns átomos tendem a ganhar ou perder elétrons, ou a formar ligações entre si, esses fatos continuam sendo verdadeiros mesmo quando os átomos e moléculas são parte de um ser vivo. Na verdade, interações simples entre átomos - que ocorrem várias vezes e em diversas combinações, em uma única célula ou organismo - é o que torna a vida possível. Pode-se dizer que tudo o que você é, incluindo sua consciência, é subproduto de interações químicas e elétricas entre um grande número de átomos não vivos.

Então, como um incrível complexo ser, composto por aproximadamente 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de átomos, você provavelmente irá querer saber o básico de química ao explorar o mundo da biologia e o mundo em geral.

O termo matéria se refere a qualquer coisa que ocupe espaço e tenha massa - em outras palavras, as "coisas" das quais o universo é feito. Toda matéria é composta por substâncias chamadas elementos, que possuem propriedades químicas e físicas especificas e não podem ser quebradas em outras substâncias através de uma simples reação químicas. O ouro, por exemplo, é um elemento, assim como o carbono. Existem 118 elementos, mas apenas 92 ocorrem naturalmente. Os demais elementos existem apenas quando produzidos em laboratório e são instáveis.

Cada elemento é representado por seu símbolo químico, que é um única letra maiúscula, ou quando uma letra já é usada por outro elemento, uma combinação de duas letras. Alguns elementos seguem o termo em português para aquele elemento, como C para carbono e Ca para cálcio. O símbolo para outros elementos vem do seu nome em latim, por exemplo, o símbolo para sódio é Na, que é a abreviação de natrium, o termo em latim para sódio.

Os quatro elementos comuns a todos os seres vivos são oxigênio (O), carbono (C), hidrogênio (H) e nitrogênio (N), que juntos compõem cerca de 96% do corpo humano. No mundo inanimado, elementos são encontrados em proporções diferentes, e alguns elementos comuns nos seres vivos são relativamente raros na Terra como um todo. Todos os elementos e as reações químicas entre eles obedecem às mesmas leis da química e da física, independente se eles fazem parte de seres vivos ou não vivos.

Um átomo é a menor unidade da matéria que conserva todas as propriedades de um elemento. Por exemplo, uma moeda de ouro é simplesmente um número muito grande de átomos de ouro moldados no formato de uma moeda, com pequenas quantidades de outros elementos contaminantes. Átomos de ouro não podem ser quebrados em nada menor e ainda manter as propriedades do ouro. Um átomo de ouro tem suas propriedades provenientes de pequenas partículas subatômicas das quais é composto.

Um átomo consiste de duas regiões. A primeira é o pequeno núcleo atômico, que está no centro do átomo e contém partículas carregadas positivamente chamadas prótons e partículas neutras e não carregadas chamadas nêutrons. A segunda região, muito maior, é uma "nuvem" de elétrons, partículas carregadas negativamente que orbitam ao redor do núcleo. A atração entre prótons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente mantém o átomo unido. A maioria dos átomos contém todas os três tipos de partículas subatômicas - prótons, elétrons e nêutrons. O hidrogênio (H) é uma exceção porque, tipicamente, tem um próton e um elétron, mas não tem neutrons. O número de prótons no núcleo determina de qual elemento um átomo é, enquanto o número de elétrons ao redor do núcleo determina que tipo de reações o átomo fará. Os três tipos de partículas subatômicas são ilustrados abaixo em um átomo de hélio - que, por definição, contém dois prótons.

Prótons e nêutrons não têm a mesma carga, mas eles têm aproximadamente a mesma massa, cerca de $1,67\times {10}^{-24}$‍ gramas. Como o grama não é uma unidade muito conveniente para medir massas tão pequenas, os cientistas definiram uma unidade alternativa, o dalton ou unidade de massa atômica (amu). Um único nêutron ou próton tem peso bem próximo ao de 1 u. Os elétrons são muito menores em massa que os prótons, cerca de apenas 1/1800 de uma unidade de massa atômica, portanto eles não contribuem muito para a massa atômica total de um elemento. Por outro lado, os elétrons afetam muito a carga do átomo, pois cada elétron tem uma carga negativa igual à carga positiva de um próton. Em átomos neutros sem carga, o número de elétrons orbitando ao redor do núcleo é igual ao número de prótons dentro do núcleo. As cargas positivas e negativas se neutralizam, levando a um átomo sem carga resultante.

Prótons, nêutrons e elétrons são muito pequenos, e a maioria do volume de um átomo—mais de 99 por cento—é, na verdade, espaço vazio. Com todo esse espaço vazio, você talvez queira saber porque os chamados objetos sólidos não atravessam uns aos outros. A resposta é que as nuvens de elétrons de carga negativa dos átomos repelem-se entre si se chegarem muito perto, resultando em nossa percepção de solidez.