Madde, elementler ve atomlar

Vücudumuz nelerden oluşmuştur? Aklınıza gelen ilk düşünce, vücudumuzun çalışmaya devam etmesini sağlamak için birlikte çalışan kalbimiz, akciğerlerimiz, midemiz gibi farklı organlardan oluştuğu olabilir. Ya da cevaba daha da yakınlaşarak, vücudumuzun birçok farklı tür hücreden oluştuğunu söyleyebilirsiniz. Ne var ki en temel seviyeye indiğimizde biz insanlar, diğer canlı varlıklar ve içinde yaşadığımız cansız dünya, genellikle molekül denen büyük yapılardan oluşan atomlardan meydana gelmektedir.

Atomlar ve moleküller, karmaşık ve yaşayan, nefes alan bir varlığın parçası olduklarında bile kimya ve fizik yasalarına uyarlar. Eğer kimyada bazı atomların birbirleriyle bağ oluşturmak için elektron alıp verme eğiliminde olduklarını öğrendiyseniz bu durum, atomlar veya moleküller yaşayan bir varlığın parçası olduklarında bile doğruluğunu korur. Aslına bakılırsa atomlar arası basit etkileşimler; tek bir hücrede ya da daha büyük bir organizmada çok kez ve bir sürü değişik düzende meydana gelerek, hayatı mümkün kılan şeydir. Hatta bilinciniz de dahil olmak üzere, olduğunuz her şeyin çok çok yüksek sayıda cansız atomlar arasındaki kimyasal ve elektriksel etkileşimin yan ürünü olduğu bile söylenebilir!

Yaklaşık 7,000,000,000,000,000,000,000,000,000 atomdan meydana gelen inanılmaz derecede karmaşık bir canlı olarak, biyoloji dünyasını ve genel olarak dünyayı incelemeye başlarken büyük ihtimalle biraz temel kimya bilgisine sahip olmak istersiniz.

Madde terimi, boşlukta yer kaplayan ve kütlesi olan her şeyden bahsetmek için kullanılır; başka bir şekilde açıklamak gerekirse evreni oluşturan "şey" olduğu da söylenebilir. Bütün maddeler element adı verilen, sıradan kimyasal tepkimelerle başka maddelere parçalanamayacak belirgin kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip yapılardan oluşmaktadır. Örneğin altın ve karbon birere elementtir. Normalde 118 element vardır ama yalnızca 92 tanesi doğal olarak oluşmaktadır. Geriye kalan elementler yalnızca laboratuvarlarda üretilmiştir ve kararsızlardır.

Her elemente, tek bir büyük harf olan ya da eğer bu harf çoktan kullanılmışsa iki harfin kombinasyonu olan bir kimyasal sembol atanmıştır. Karbon için C ya da kalsiyum için Ca gibi, bazı elementler İngilizce karşılıklarına göre adlandırılırlar. Bazı elementlerin kimyasal sembolleri de, Latince isimlerinden gelir, mesela sodyumun sembolü Na'dır, "Na" Latince sodyum anlamına gelen natrium'un kısa hâlidir.

Bütün canlı organizmalar için ortak olan elementler insan vücudunun yaklaşık %96'sını oluşturan oksijen (O), karbon (C), hidrojen (H) ve azottur (N). Cansız dünyada, elementler farklı oranlarda bulunur ve canlı organizmalar için ortak olan bazı elementler Dünya'da diğerlerine kıyasla daha ender bulunurlar. Tüm elementler ve kimyasal tepkiemeler, canlı veya cansız dünyanın parçaları olmaları önemsenmeksizin aynı kimyasal ve fiziksel yasalara tabidirler.

Atom, bir elementin tüm kimyasal özelliklerine sahip, en küçük birimidir. Örneğin altın bir para, saflığı bozan çok küçük miktardaki diğer elementlerle birlikte, çok fazla sayıdaki altın atomlarının para şekline getirilmiş hâlidir. Altın atomları altının özelliklerine sahip olduklarından, daha küçük herhangi bir yapıya ayrıştırılamazlar. Bir altın atomu, özelliklerini onu oluşturan atomaltı parçacıklardan alır.

Atomlar, iki bölgeden oluşurlar. İlki atomun merkezi olan ve pozitif yüklü proton adı verilen tanecikler ile nötr, yüksüz nötron adı verilen tanecikleri içeren küçük atom çekirdeğidir. İkincisi, çok daha büyük olan ve negatif yüklü, çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronların oluşturduğu bir buluttur. Pozitif yüklü protonlarla negatif yüklü elektronlar arasındaki çekim, atomu bir arada tutar. Çoğu atom atom altı parçacıkların üçüne de (proton, elektron ve nötron) sahiptir. Hidrojen (H) ise bir istisnadır çünkü tipik olarak bir proton ve bir elektrona sahipken hiç nötronu yoktur. Çekirdekteki proton sayısı, atomun hangi element olduğunu belirlerken, çekirdeği çevreleyen elektronların sayısı atomun ne tür kimyasal tepkimelere girebileceğini belirler. Üç tür atom altı parçacık, aşağıda doğası gereği iki protona sahip olan helyum atomu için resmedilmiştir.

Protonlar ve nötronların yükleri aynı değildir fakat ağırlıkları neredeyse aynıdır: 1,67 × 10${}^{-24}$‍ gram. Gram, bu kadar küçük kütleleri ölçmek için pek uygun bir birim olmadığı için bilimciler dalton veya atomik kütle birimi (akb) olarak bilinen bir ölçü birimi tanımlamıştır. Tek bir nötron veya proton yaklaşık bir akb'lik kütleye sahiptir. Elektronlar, protonlardan çok daha küçüktür ve ağırlıkları bir akb'nin yaklaşık 1/1800'üne denktir, bu nedenle bir elementin toplam atom kütlesi içinde büyük bir yerleri yoktur. Diğer yandan her bir elektronun sahip olduğu negatif yük, her bir protonun sahip olduğu pozitif yüke denk olduğundan elektronların atom yükü üzerindeki etkisi oldukça büyüktür. Yüksüz, nötr atomlarda çekirdek etrafında dolaşan elektron sayısı çekirdek içinde yer alan proton sayısına eşittir. Pozitif ve negatif yükler, birbirini sıfırladığı için atomun net bir yükü olmaz.

Protonlar, nötronlar ve elektronlar oldukça küçük birimlerdir ve çoğu, hatta %99'undan daha fazlası boşluktan oluşur. Bu birimlerin kapladığı alan boşluksa neden katı cisimler birbirinin içinden geçemiyor diye düşünebilirsiniz. Bu sorunun cevabı oldukça basittir: negatif yüklü elektron bulutları birbirine çok yaklaştığında birbirini iter, bu da bizim katılık algımızı oluşturur.