Înapoi la: Studiu de caz: Natura
Moleculele
Moleculă este un termen care vine de pe vremea lui Descartes, de acum peste 300 de ani (1678). Este diminutivul substantivului latin moles, care însemna masă, sau uneori barieră. Molecula este cea mai mică unitate dintr-un element sau compus care mai păstrează compoziția și proprietățile chimice ale acestora.
Moleculele sunt formate din doi sau mai mulți atomi, provenind de la același element chimic sau de la elemente diferite. Definim o moleculă ca un grup de atomi legați împreună prin legături chimice. Să luăm exemplul unui atom de hidrogen care călătorește singur prin spațiu. Atomul de hidrogen are în nucleu un proton încărcat pozitiv în jurul căruia orbitează, un singur electron, cu sarcină negativă așa cum am văzut în lecția despre atomi. Dacă se întâmplă să treacă prin apropierea lui un alt atom de hidrogen, electronii lor vor fi atrași de protonii din nuclee ca de niște magneți. Prin urmare, se vor apropia din ce în ce mai mult, până când se vor ciocni și vor deveni o singură entitate. De acum încolo, cele două nuclee își vor împărți electronii și vor fi unite prin ceea ce se numește o legătură chimică covalentă.


În general, atomii se leagă între ei în molecule prin diferite tipuri de legături chimice, mai slabe sau mai puternice. În toate legăturile, electronii joacă rolul principal, fiind cedați, total sau parțial, împrumutați sau puși în comun între două nuclee.
Legăturile intramoleculare, adică din interiorul unei molecule, pot fi covalente, dacă cei doi atomi au electronegativități similare, sau ionice, dacă electronegativitățile lor sunt foarte diferite. În acest din urmă caz, electronii sunt transferați total de la un nucleu atomic la altul iar ionii formați, unul pozitiv și unul negativ, sunt puternic atașați unul de celălalt prin ceea ce numim o legătură ionică. Spre exemplu, în molecula de apă, atomul de oxigen este legat de cei doi atomi de hidrogen prin legături covalente. Sarea de bucătărie, însă, este un compus ionic, format din atomi de sodiu și atomi de clor. Atomul de sodiu este puternic electropozitiv, iar cel de clor puternic electronegativ. Prin urmare, sodiul îi va ceda un electron clorului, iar cei doi ioni formați, unul pozitiv și unul negativ, vor fi legați printr-o legătură ionică.
Uneori, și moleculele pot fi legate între ele prin legături mai slabe, pe care le numim intermoleculare.
Ceea ce trebuie să ținem minte este că, odată formată legătura chimică, noul compus nu mai păstrează proprietățile fizice și chimice ale atomilor care l-au format, ci capătă proprietăți noi. Hidrogenul și oxigenul se găsesc, în condiții normale de temperatură și presiune, în stare gazoasă. Apa, însă, știm cu toții, este un lichid. Clorul din sare este extrem de toxic, ca și sodiul, dar sarea de bucătărie e complet inofensivă și chiar foarte necesară organismului uman, în cantități moderate.
Câți atomi se pot lega împreună pentru a forma o moleculă? De la cea mai simplă moleculă, cea de hidrogen, și până la cele mai complexe, cum sunt proteinele, atomii pot forma lanțuri scurte de 2 atomi sau lungi de câteva mii de atomi.
Cum este, deci, posibilă formarea lanțurilor de atomi? Unii atomi au capacitatea de a se lega nu de unul ci de 2, 3, sau 4 alți atomi prin legături covalente. Dacă vă aduceți aminte de la lecția despre atomi, spuneam acolo că electronii nu pot avea decât nivele fixe de energie atunci când ocupă spațiul din jurul nucleului. Aceste nivele fixe se numesc straturi. Ele sunt ocupate de electroni pe rând, iar numărul de electroni din jurul nucleului depinde de numărul de protoni din nucleu. Pe fiecare strat nu încap decât un număr limitat de electroni. Unele straturi, care se numesc straturi S, au loc doar pentru doi electroni, altele pentru 6.
Hidrogenul, cel mai simplu atom, are un proton în nucleu și un electron pe un strat S. De vreme ce pe stratul S pot încăpea doi electroni, două nuclee de hidrogen se pot uni într-o moleculă, punând în comun cei doi electroni. Aceasta e forma cea mai stabilă a hidrogenului.
Atomul de carbon, însă, are 6 electroni și 6 protoni. Doi dintre electroni ocupă stratul S din nivelul 1 de energie, iar cei 4 electroni rămași se găsesc în nivelul 2, dintre care 2 în stratul 2S și 2 pe stratul 2P, de energie mai înaltă. De vreme ce stratul 2P poate fi ocupat de 6 electroni pentru a fi complet stabil, rezultă că un atom de carbon poate să pună în comun încă 4 electroni. Deci poate forma 4 legături covalente.
Cel mai simplu compus de acest fel este metanul, în care un atom de carbon se leagă de 4 atomi de hidrogen. Dar dacă un atom de carbon se leagă de alt atom de carbon, atunci ei mai au loc pentru încă 6 atomi de hidrogen în jurul lor. Continuând în acest fel se pot forma lanțuri foarte lungi de atomi de carbon de care se leagă diferiți alți atomi: hidrogen, oxigen, azot, sulf.


Este posibil să rupem legăturile din molecule, adică să le aducem la starea inițială de atomi liberi? Da, este posibil, dacă aducem din exterior suficientă energie. La încălzire, sau prin expunere la lumină, care este, vă aduceți aminte din lecția despre electromagnetism, un flux de fotoni cu energie mare, legăturile covalente se pot rupe și bucăți de moleculă se pot desprinde.
Când ardem cărbuni sau lemne, pe asta ne bazăm. În urma arderii atomii de carbon din structura cărbunelui sunt rupți din moleculele lungi și se combină cu atomii de oxigen din aer pentru a forma dioxid de carbon.

Trebuie să ținem minte că lanțurile lungi de carbon sunt studiate de o știință separată, chimia organică. Toate moleculele organice din organismele vii au, la bază, lanțuri lungi de atomi de carbon. Atomul de carbon este singurul care are această capacitate de a forma lanțuri lungi, și toate organismele vii au la bază compușii carbonului. Asta înseamnă că și în plante, și în animale, de la cele mai simple la cele mai complexe, de la bacterii la oameni și de la ciuperci la stejari, toți suntem compuși din variațiuni ale acelorași substanțe.
De aceea este posibil ca o plantă să folosească energia soarelui și mineralele din sol pentru a le transforma în frunze, flori, fructe, pe care le mănâncă mai apoi animalele ierbivore, pe care le mănâncă mai apoi animalele carnivore. Și plantele și animalele, atunci când mor, se reîntorc în sol și sunt descompuse de bacterii, iar substanțele nutritive sunt preluate din nou de plante și transformate, cu ajutorul energiei solare, în hrană pentru celelalte animale. Dacă nu am fi, toți, legați între noi prin același tip de molecule, organice, viața pe pământ, în toată complexitatea ei, nu ar fi posibilă.