Totul în lume, fie el natural sau sintetic, este alcătuit din structuri minuscule numite atomi, care sunt formate din protoni, neutroni și electroni. Protonii au sarcină pozitivă, neutronii nu au sarcină, iar electronii au sarcină negativă. Echilibrul acestor particule determină sarcina totală a unui atom. Un obiect cu sarcină pozitivă, ca o persoană după ce a frecat energic picioarele acoperite cu șosete pe un covor, conține mai multe particule pozitive (protoni) decât cele negative (electroni). Deoarece atomii pozitivi sunt atrași de cei negativi și respinși de alți pozitivi, sarcinile atomilor care alcătuiesc o bucată de materie influențează puternic proprietățile și comportamentul acesteia.
Sarcini atomice
Atomii, care sunt unitatea de bază a materiei, au un nucleu format din protoni și neutroni, în jurul căruia sunt legați unul sau mai mulți electroni. Numărul de protoni determină ce element este atomul și este dat ca număr atomic. De exemplu, magneziul are 12 protoni, dându-i numărul atomic 12, în timp ce oxigenul are opt. Când atomii se unesc, ei devin molecule.
Electronii și protonii nu au aceeași dimensiune și greutate – electronii sunt mai mici și mai ușori decât protonii – dar au aceeași cantitate de sarcină. Adică, un număr egal de protoni și electroni se anulează reciproc în ceea ce privește sarcina totală. Deoarece neutronii sunt neutri, numărul lor nu afectează sarcina unui atom.
Deși numărul total de particule subatomice pe care le are un atom variază, atomii sunt de obicei echilibrați electric, cu un număr egal de protoni și electroni. Aceasta înseamnă că, în mod natural, atomii au o sarcină neutră, dar aceasta se poate schimba prin câștigarea sau pierderea de electroni prin procese chimice și fizice. Când se pierde un electron, echilibrul se schimbă cu un proton în plus, dând atomului o sarcină pozitivă. Reversul este valabil pentru atomii încărcați negativ, care au câștigat un electron. Când echilibrul particulelor este perturbat, producând un atom (sau moleculă) pozitiv sau negativ, aceștia nu mai sunt numiți atomi. În schimb, sunt ioni, cei pozitivi numiți cationi și cei negativi numiți anioni.
Încărcare și comportament
Sarcina pe care o are un obiect influențează modul în care acesta reacționează la mediul său. De exemplu, cationii sunt atrași de anioni, dar sunt respinși de alți cationi. În mod similar, atomii încărcați negativ se resping reciproc. Acest comportament este denumit legea lui Coulomb.
Atomii pozitivi nu îi atrag sau îi resping pe cei neutri, dar printr-un fenomen numit inducție electrostatică se poate crea o atracție. Acest lucru se întâmplă deoarece electronii din unele molecule tind să devină mai mobili atunci când o sarcină pozitivă este aproape. Electronii din molecula neutră sunt apoi capabili să se deplaseze către sursa sarcinii pozitive. Mișcarea creează o sarcină negativă în cel mai apropiat punct de sursă, deși molecula este neschimbată în general. Acest fenomen se întâmplă cel mai adesea cu metalele, ceea ce permite o sarcină electrică să curgă prin ele.
Aplicații de zi cu zi
Multe articole și procese de zi cu zi folosesc sarcini pozitive. Când rufele se rupe într-un uscător de rufe, de exemplu, mișcarea face ca electronii să se miște de la atomii de pe suprafața unor articole pe altele, dând piese de îmbrăcăminte diferite sarcini. Acesta este ceea ce duce la lipirea statică, deoarece particulele încărcate pozitiv și negativ sunt atrase unele de altele și fac îmbrăcămintea să se lipească. Foile pentru uscător conțin de obicei substanțe chimice care au o sarcină pozitivă, care se freacă de pe articole, ajutând să le facă pe cele negative din nou neutre.
Un alt exemplu este imprimanta laser, care imprimă text și imagini pe hârtie prin crearea unei serii de sarcini pozitive și negative. Când începe o lucrare de imprimare, laserul „scrie” prin transferul de electricitate statică încărcată negativ într-un cilindru cu o sarcină pozitivă. Tonerul, care este și pozitiv, este apoi aplicat pe cilindru și este atras de zonele negative. Cilindrul este apoi rulat pe o foaie de hârtie încărcată negativ, iar tonerul se leagă de ea.
Molecule biologice
Totalul combinat al tuturor atomilor și ionilor care fac parte dintr-o moleculă biologică este cunoscut sub numele de sarcină netă. Majoritatea moleculelor sunt neutre în general, dar cele mari tind să aibă una sau mai multe zone discrete care prezintă o sarcină negativă sau pozitivă. Aceste zone influențează puternic modul în care molecula se pliază și modul în care interacționează cu alte molecule. De exemplu, ADN-ul și ARN-ul sunt ambii acizi nucleici, dar se comportă foarte diferit, în parte, deoarece sarcinile lor sunt distribuite diferit de-a lungul suprafețelor lor.
Cercetarea științifică necesită adesea informații despre sarcinile atomilor și moleculelor, deoarece afectează modul în care se comportă moleculele biologic active. Un domeniu special în care manipularea sarcinilor moleculare este foarte utilă este proiectarea rațională a medicamentelor. Cercetătorii din acest domeniu lucrează pentru dezvoltarea unor medicamente mai eficiente, în unele cazuri prin manipularea încărcăturii unui potențial medicament pentru a-l face să interacționeze mai eficient cu ținta sa.