Materia

Materia jest substancją, która tworzy wszechświat. Dane, zarówno fizyków, jak i chemików, identyfikują ponad 100 odrębnych składników materii. Te różne formy materii zwane są pierwiastkami. Z około 100 pierwiastków 90 występuje w naturze, pozostałe są produkowane w laboratorium. Na poziomie najbardziej podstawowym wszystkie substancje, zarówno żyjące, jak i nieożywione złożone są z pierwiastków, w różnych proporcjach i kombinacjach.

Wg definicji pierwiastek jest substancją, która nie może być "rozłożona" w procesie chemicznym na substancje prostsze. Fundamentalną naturę pierwiastków przejrzyście obrazuje woda, złożona z dwóch pierwiastków: tlenu i wodoru. Poprzez różnorodne procesy chemiczne woda może być zredukowana do tych dwóch pierwiastków składowych, lecz żaden proces chemiczny nie może dalej zredukować tych elementów. Pierwiastki mogą być zmieniane bądź dekomponowane drogą rozszczepienia lub fuzji jądrowej, lecz wówczas nie zachowują właściwości pierwiastków. W rzeczywistości te procesy mogą tworzyć takie zasadnicze zmiany, że pierwiastek może stać się z materii energią, co jest zasadą energii atomowej. Tak więc pierwiastek jest najbardziej podstawową formą materii.

Pierwiastki zawierają atomy. Atom jest najmniejszą cząstką pierwiastka, wykazującą specyficzne cechy chemiczne tego pierwiastka. Słowo "atom" pochodzi z greckiego pojęcia "niepodzielności". Atomy są tak małe, że aby osiągnąć grubość kartki papieru musielibyśmy posłużyć się ich kilkunastoma milionami.

Atomy z kolei zawierają jeszcze mniejsze komponenty, ładunki ujemne - elektrony, ładunki dodatnie- protony oraz cząstki nie posiadające ładunków elektrycznych zwane neutronami.

Przyciąganie ładunków dodatnich i ujemnych zapewnia spójność atomu. Dodatkowo, ponieważ całościowa liczba protonów i elektronów jest równa (w atomach niezjonizowanych - o tym więcej szczegółów dalej) atom jako całość ma charakter elektrycznie neutralny. Neutrony i protony są zlokalizowane w centrum atomu, do czego odnosimy określenie "jądro". Protony zaopatrują jądro w ładunek dodatni, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony, co nazywamy. "chmurą elektronową".

Pod względem wielkości średnica chmury elektronów jest 100,000 razy większa niż samego jądra. Można to zilustrować na przykładzie atomu wodoru: jeśli samo jądro miałoby wielkość pomarańczy, to średnica atomu miałaby około 6 km. Jednakże, ponieważ protony i neutrony są około 2000 razy cięższe od elektronów, jądro stanowi 99,9% masy atomu.

Całkowitą liczbę cząstek w jądrze atomu wyraża masa atomowa. Inną wielkością jest liczba atomowa. Mówiąc ogólnie, jest to liczba protonów wewnątrz jądra, która rozróżnia poszczególne pierwiastki. Niektóre atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różne liczby neutronów, choć zawierają ta samą liczbę protonów. Te wariacje tych samych pierwiastków nazywamy izotopami.

Pod wpływem wielu czynników atomy łączą się wzajemnie w molekułę. Molekuły składają się z różnorodnych elementów określanych jako związek chemiczny. Molekuła jest najmniejszą częścią umiejącą zachowywać własności tego związku. Ponadto atomy tego samego pierwiastka czasami łączą się, by formować molekuły. Przykładem tego jest azot (Nitrogen), który tworzy dwuatomową molekułę gazową azota. Taka molekuła jest nazywana molekułą dwuatomową N2. Często wykazują one własności całkiem odmienne od pierwiastków, które je tworzą. Przykładem tego jest woda. Oba pierwiastki tego związku chemicznego; zarówno wodór jak i tlen w ich naturalnej postaci są gazami. Woda natomiast jest cieczą, substancją radykalnie różną od swych części elementarnych - gazów. Podobnie, elementy molekularne (tj. gaz azotowy) mogą zachowywać się różnie od tych samych elementów w postaci oddzielnych atomów.

Atomy, wchodzące w skład molekuł połączone są w związki chemiczne. Tworzenie się związków chemicznych związane jest z reakcją chemiczną. Związki chemiczna mogą tworzyć jedynie atomy z kompatybilną strukturą atomową. Kompatybilność ta zależy od konfiguracji elektronów atomu.

Elektrony okrążają jądro w określonych orbitach lub "powłokach", przy czym każda "powłoka" jest zdolna pomieścić jedynie określoną liczbę elektronów. O reaktywności pierwiastka decyduje konfiguracja elektronów na ostatniej (najdalszej) powłoce. Jeśli powłoka jest zapełniona, atom nie reaguje chemicznie. Takie pierwiastki nazywamy szlachetnymi ( przykładem jest tu He (hel) i N (azot). Inne pierwiastki mogą wchodzić w reakcje chemiczne, ale zawsze z określonymi komponentami. Najchętniej reagują z pierwiastkami mogącymi "uzupełnić" ich zewnętrzną powłokę elektronową. Tworzą wtedy wiązanie jonowe lub kowalencyjne. Typowym przykładem jest tu sól - chlorek sodu NaCl. Atom sodu posiada tylko jeden z 11 elektronów w zewnętrznej powłoce. Chlor zaś posiada prawie zapełnioną ( 7 elektronów z 8 możliwych) zewnętrzną powłokę. W tej sytuacji chlor "zabiera" jeden elektron od sodu i zapełnia swoją powłokę. W związku z tym ładunek całego atomu chloru zmienia się - staję się ujemny, tak jak przyłączony elektron. Jednocześnie zmienia się też konfiguracja sodu i jednocześnie jego ładunek staje się dodatni. Atomy naładowane (czyli w których ilość protonów nie równa się liczbie elektronów) nazywamy jonami. Takie dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się tworząc chlorek sodu, czyli popularną sól kuchenną.

Niektóre atomy ani nie oddają ani nie przyjmują elektronów, dążąc do zapełniania zewnętrznych powłok. Zamiast tego "uwspólniają" z innym atomem zewnętrzne elektrony. Przykładem takiego wiązania jest woda H2O. Wiązanie takie nazywamy kowalencyjnym.

W przypadku wody - dwa bardzo reaktywne pierwiastki - wodór H i tlen O łączą się tworząc stabilny związek chemiczny. Tlen wymaga dodania dwóch elektronów, aby zapełnić zewnętrzną powłokę. Każdy atom wodoru ma tylko jeden elektron i wymaga jeszcze jednego do zapełnienia powłoki. W kombinacji z dwoma atomami wodoru tlen otrzymuje jeden uwspólniony elektron od każdego z atomów wodoru, zaś każdy wodór otrzymuje po jednym uwspólnionym elektronie od tlenu. W rezultacie tej wzajemnej wymiany elektronów powstaje woda. Takie wiązanie powoduje wiele unikalnych własności wody.




Elektrony okrążają jądro w określonych orbitach lub "powłokach", przy czym każda "powłoka" jest zdolna pomieścić jedynie określoną liczbę elektronów. O reaktywności pierwiastka decyduje konfiguracja elektronów na ostatniej (najdalszej) powłoce. Jeśli powłoka jest zapełniona, atom nie reaguje chemicznie. Takie pierwiastki nazywamy szlachetnymi ( przykładem jest tu He (hel) i N (azot). Inne pierwiastki mogą wchodzić w reakcje chemiczne, ale zawsze z określonymi komponentami. Najchętniej reagują z pierwiastkami mogącymi "uzupełnić" ich zewnętrzną powłokę elektronową. Tworzą wtedy wiązanie jonowe lub kowalencyjne. Typowym przykładem jest tu sól - chlorek sodu NaCl. Atom sodu posiada tylko jeden z 11 elektronów w zewnętrznej powłoce. Chlor zaś posiada prawie zapełnioną ( 7 elektronów z 8 możliwych) zewnętrzną powłokę. W tej sytuacji chlor "zabiera" jeden elektron od sodu i zapełnia swoją powłokę. W związku z tym ładunek całego atomu chloru zmienia się - staję się ujemny, tak jak przyłączony elektron. Jednocześnie zmienia się też konfiguracja sodu i jednocześnie jego ładunek staje się dodatni. Atomy naładowane (czyli w których ilość protonów nie równa się liczbie elektronów) nazywamy jonami. Takie dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się tworząc chlorek sodu, czyli popularną sól kuchenną.

Niektóre atomy ani nie oddają ani nie przyjmują elektronów, dążąc do zapełniania zewnętrznych powłok. Zamiast tego "uwspólniają" z innym atomem zewnętrzne elektrony. Przykładem takiego wiązania jest woda H2O. Wiązanie takie nazywamy kowalencyjnym.

W przypadku wody - dwa bardzo reaktywne pierwiastki - wodór H i tlen O łączą się tworząc stabilny związek chemiczny. Tlen wymaga dodania dwóch elektronów, aby zapełnić zewnętrzną powłokę. Każdy atom wodoru ma tylko jeden elektron i wymaga jeszcze jednego do zapełnienia powłoki. W kombinacji z dwoma atomami wodoru tlen otrzymuje jeden uwspólniony elektron od każdego z atomów wodoru, zaś każdy wodór otrzymuje po jednym uwspólnionym elektronie od tlenu. W rezultacie tej wzajemnej wymiany elektronów powstaje woda. Takie wiązanie powoduje wiele unikalnych własności wody.

Pierwiastki i związki chemiczne mogą występować w jednej z trzech postaci: ciała stałego, cieczy i gazu. Woda np. występuje w swej naturalnej postaci jako ciecz, lecz również w postaci ciała stałego (lód) oraz gazu (para wodna). Postacie, w jakich występują zależą od tego, jak ściśle i sztywno poukładane są molekuły, tworzące substancję. Typowym najważniejszym czynnikiem, który ma na to wpływ jest temperatura (ciśnienie również lecz rzadziej), ponieważ ciepło wprawia molekuły w ruch. Temperatura jest miarą ruchliwości molekuł danej substancji. Najbardziej aktywne są molekuły ciepłej substancji, jeśli aktywność molekuł spada, mówi się o chłodzeniu substancji. Substancje z molekułami związanymi regularnie, w ścisłe wzory są ciałami stałymi. Jeśli temperatura rośnie, molekuły zaczynają wyślizgiwać się z ich ustalonych pozycji i poruszając następne, tworzą ciecz. Jeśli temperatura rośnie dalej powstaje gaz. Najlepszym przykładem są lód, woda i para, gdzie ciało stałe (lód) reprezentuje stan "najzimniejszy", a gaz (para) - "najcieplejszy".

Ciała stałe i ciecze w nurkowaniu uważamy za nieściśliwe. Gazy natomiast są ściśliwe w wysokim stopniu. Molekuły tworzące gaz zajmują w przybliżeniu 1/1000 całkowitej objętości, jaką ma cały gaz w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu. To wyjaśnia ogromny stopień ściśliwości gazów i to jest ich cecha, która ma ogromne znaczenie dla nurkowania.