Co to jest ładunek dodatni?
Wszystko na świecie, naturalne lub syntetyczne, składa się z maleńkich struktur zwanych atomami, które są zbudowane z protonów, neutronów i elektronów. Protony mają ładunek dodatni, neutrony nie mają ładunku, a elektrony mają ładunek ujemny. Bilans tych cząstek określa całkowity ładunek atomu. Obiekt z ładunkiem dodatnim, podobnie jak osoba po energicznym wcieraniu pokrytych skarpetą stóp na dywanie, zawiera więcej cząstek dodatnich (protonów) niż ujemnych (elektronów). Ponieważ atomy dodatnie są przyciągane do negatywnych i odpychane przez inne pozytywne, ładunki atomów, które tworzą materię, silnie wpływają na jej właściwości i zachowanie.
Ładunki atomowe
Atomy, które są podstawową jednostką materii, mają jądro zbudowane z protonów i neutronów, wokół których związany jest jeden lub więcej elektronów. Liczba protonów decyduje o tym, jakim pierwiastkiem jest atom i jest podana jako jego liczba atomowa. Na przykład magnez ma 12 protonów, co daje mu liczbę atomową 12, podczas gdy tlen ma osiem. Kiedy atomy łączą się, stają się cząsteczkami.
Elektrony i protony nie mają tego samego rozmiaru i wagi - elektrony są mniejsze i lżejsze niż protony - ale mają taką samą ilość ładunku. Oznacza to, że odpowiednia liczba protonów i elektronów znosi się nawzajem pod względem ogólnego ładunku. Ponieważ neutrony są neutralne, ich liczba nie wpływa na ładunek atomu.
Chociaż całkowita liczba cząstek subatomowych w atomie jest różna, atomy zazwyczaj są elektrycznie zrównoważone, z taką samą liczbą protonów i elektronów. Oznacza to, że naturalnie atomy mają ładunek neutralny, ale może się to zmienić poprzez pozyskanie lub utratę elektronów w procesach chemicznych i fizycznych. Kiedy elektron jest tracony, równowaga przesuwa się z dodatkowym protonem, nadając atomowi ładunek dodatni. Odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku ujemnie naładowanych atomów, które zyskały elektron. Gdy równowaga cząstek zostaje zakłócona, co daje albo dodatni albo ujemny atom (lub cząsteczkę), nie są one już nazywane atomami. Zamiast tego są jonami , z dodatnimi zwanymi kationami i ujemnymi zwanymi anionami .
Opłata i zachowanie
Ładunek, jaki wywiera obiekt, wpływa na jego reakcję na otoczenie. Na przykład kationy przyciągają aniony, ale odpychają je inne kationy. Podobnie ujemnie naładowane atomy odpychają się. Takie zachowanie określa się mianem prawa Coulomba.
Atomy dodatnie nie przyciągają ani nie odpychają neutralnych, ale poprzez zjawisko zwane indukcją elektrostatyczną można stworzyć przyciąganie. Dzieje się tak, ponieważ elektrony w niektórych cząsteczkach stają się bardziej mobilne, gdy ładunek dodatni jest blisko. Elektrony w obojętnej cząsteczce mogą następnie przemieszczać się w kierunku źródła ładunku dodatniego. Ruch tworzy ładunek ujemny w najbliższym punkcie źródła, chociaż cząsteczka ogólnie pozostaje niezmieniona. Zjawisko to najczęściej zdarza się w przypadku metali, co umożliwia przepływ przez nie ładunku elektrycznego.
Aplikacje na co dzień
Wiele przedmiotów codziennego użytku i procesów wykorzystuje ładunki dodatnie. Gdy pranie przewraca się na przykład w suszarce do ubrań, ruch powoduje, że elektrony przemieszczają się z atomów na powierzchni niektórych przedmiotów na inne, nadając kawałkom ubrania różne ładunki. To właśnie prowadzi do statycznego przylegania, ponieważ dodatnio i ujemnie naładowane cząstki są przyciągane do siebie i sprawiają, że odzież przylega do siebie. Arkusze suszarki zwykle zawierają chemikalia, które mają ładunek dodatni, który ociera się o przedmioty, pomagając ponownie uczynić te ujemne neutralnymi.
Innym przykładem jest drukarka laserowa, która drukuje tekst i obrazy na papierze, tworząc serię dodatnich i ujemnych ładunków. Kiedy rozpoczyna się zadanie drukowania, laser „zapisuje”, przenosząc ujemnie naładowaną elektryczność statyczną do cylindra z ładunkiem dodatnim. Toner, który również jest dodatni, jest następnie nakładany na cylinder i przyciągany do obszarów ujemnych. Cylinder jest następnie rolowany na arkuszu ujemnie naładowanego papieru, a toner wiąże się z nim.
Cząsteczki biologiczne
Łączna suma wszystkich atomów i jonów, które są częścią cząsteczki biologicznej, znana jest jako jej ładunek netto. Większość cząsteczek jest ogólnie neutralna, ale duże mają zwykle jeden lub więcej dyskretnych obszarów, które wykazują ładunek ujemny lub dodatni. Obszary te silnie wpływają na sposób zwijania się cząsteczki i sposób jej interakcji z innymi cząsteczkami. Na przykład zarówno DNA, jak i RNA są kwasami nukleinowymi, ale zachowują się częściowo w różny sposób, ponieważ ich ładunki są rozmieszczone w różny sposób na ich powierzchni.
Badania naukowe często wymagają informacji o ładunkach atomów i cząsteczek, ponieważ wpływają one na zachowanie biologicznie aktywnych cząsteczek. Jednym szczególnym obszarem, w którym manipulacja ładunkami molekularnymi jest bardzo przydatna, jest racjonalne projektowanie leków. Badacze w tej dziedzinie pracują nad opracowaniem bardziej skutecznych leków, w niektórych przypadkach poprzez manipulowanie ładunkiem potencjalnego leku, aby skuteczniej wchodził w interakcje z jego celem.