0:00:00.542,0:00:03.027
Мы, люди, на протяжении тысячелетий,
0:00:03.027,0:00:06.639
просто в результате наблюдений за окружающей нас средой, знали, что существуют различные вещества,
0:00:06.639,0:00:09.911
и эти вещества склонны проявлять различные свойства.
0:00:09.911,0:00:11.407
Они не просто отличались свойствами;
0:00:11.407,0:00:14.191
они могли отражать свет каким-то определенным образом или не отражать его вовсе,
0:00:14.191,0:00:17.570
быть определенного цвета, иметь определенную температуру и, при определенной температуре,
0:00:17.570,0:00:20.128
быть жидкостью, газом или твердым телом.
0:00:20.128,0:00:24.718
Мы начали замечать, как они реагируют друг с другом при определенных условиях.
0:00:24.718,0:00:27.097
Вот изображения этих веществ:
0:00:27.097,0:00:31.381
вот углерод в форме графита,
0:00:31.381,0:00:35.880
вот свинец, и вот золото.
0:00:35.880,0:00:38.743
Все те вещества, что я нарисовал и показал на картинках,
0:00:38.743,0:00:41.467
я взял вот с этого сайта.
0:00:41.467,0:00:45.061
Все они в твердом состоянии, но нам также известно, что мы...
0:00:45.061,0:00:47.316
Это выглядит так, как если бы в них были определенные виды воздуха,
0:00:47.316,0:00:49.059
определенные виды частиц воздуха,
0:00:49.059,0:00:51.764
и, в зависимости от того, на какой из типов частиц воздуха вы смотрите,
0:00:51.764,0:00:55.554
будь это углерод, кислород или азот,
0:00:55.554,0:00:57.599
они проявляют различные свойства.
0:00:57.765,0:01:02.352
Жидкостями могут быть различные вещества, если вы разогреете их до достаточно высокой температуры.
0:01:02.352,0:01:05.364
Если вы разогреете до определенной температуры золото или свинец,
0:01:05.364,0:01:06.141
вы можете получить жидкость.
0:01:06.141,0:01:10.135
Или, если вы... если вы сожжёте углерод,
0:01:10.311,0:01:13.524
вы сможете получить его в газообразном состоянии, сможете выпустить его в атмосферу,
0:01:13.524,0:01:14.933
сможете разрушить его структуру.
0:01:14.933,0:01:17.423
Это - те вещи, которые все мы, в некоторой мере...
0:01:17.423,0:01:20.690
те вещи, которые человечество наблюдало в течении тысячелетий.
0:01:20.914,0:01:22.302
И это приводит нас к естественному вопросу,
0:01:22.302,0:01:24.319
который считался прежде философским,
0:01:24.319,0:01:26.393
но теперь может получить более однозначный ответ.
0:01:26.393,0:01:31.184
Если вы продолжите разрушать этот углерод
0:01:31.184,0:01:33.373
на всё более и более мелкие частицы,
0:01:33.373,0:01:35.940
то существует ли некая мельчайшая частица,
0:01:35.940,0:01:40.084
самая маленькая возможная часть этого вещества,
0:01:40.084,0:01:43.087
которая по-прежнему сохраняла бы его, углерода, свойства?
0:01:43.087,0:01:45.459
Так, что если бы вы каким либо образом продолжили дальнейшее разрушение,
0:01:45.459,0:01:47.590
то потеряли бы эти свойства?
0:01:47.590,0:01:49.891
И ответ: существует.
0:01:49.891,0:01:51.787
Просто чтобы понять нашу терминологию:
0:01:51.787,0:01:56.336
эти различные чистые вещества,
0:01:56.336,0:01:59.284
обладающие определенными свойствами при определенных температурах
0:01:59.284,0:02:00.851
и реагирующие определенным образом,
0:02:00.851,0:02:05.040
мы называем элементами.
0:02:05.040,0:02:08.760
Углерод - это элемент. Свинец - это элемент. Золото - это элемент.
0:02:08.760,0:02:11.001
Вы могли бы сказать, что и вода - это элемент.
0:02:11.001,0:02:14.396
И в прошлом люди говорили о воде, как об элементе.
0:02:14.396,0:02:18.045
Но сегодня мы знаем, что вода состоит из более простых элементов.
0:02:18.045,0:02:20.755
Она состоит из кислорода и водорода.
0:02:20.755,0:02:24.998
Все известные нам элементы перечислены здесь,
0:02:24.998,0:02:27.778
в периодической таблице химических элементов.
0:02:27.778,0:02:29.432
Углерод обозначается "C", "Carbon"
0:02:29.432,0:02:32.426
Сейчас я скажу лишь о тех, что наиболее важны для человечества,
0:02:32.426,0:02:35.370
но со временем вы, вероятно, познакомитесь с каждым из них.
0:02:35.370,0:02:39.354
Это кислород. Это азот. Это кремний.
0:02:39.354,0:02:43.137
Это "Au", золото. Это - свинец.
0:02:43.137,0:02:52.355
Наиболее мелкой частичкой любого из этих элементов является атом.
0:02:52.355,0:02:56.852
Так, если вы продолжите начатое и будете продолжать дробить вещество на всё более мелкие части,
0:02:56.852,0:02:59.590
в конце концов вы получите атом углерода.
0:02:59.590,0:03:02.806
Сделайте то же самое с золотом, и вы получите атом золота.
0:03:02.806,0:03:07.164
Проделав то же со свинцом, вы получите некоторое количество этой, за неимением лучшего слова,
0:03:07.164,0:03:09.487
частицы, называемой атомом свинца.
0:03:09.487,0:03:13.565
Вы уже не сможете расщепить его, но это всё ещё будет свинец,
0:03:13.565,0:03:16.710
так как он по-прежнему обладает свойствами свинца.
0:03:16.710,0:03:18.729
И просто для того, чтобы дать вам представление,
0:03:18.729,0:03:20.960
(а это - то, что мне всегда было сложно представить)
0:03:20.960,0:03:24.489
о том, что атомы невообразимо малы.
0:03:24.489,0:03:25.944
Совершенно серьезно, невообразимо малы.
0:03:25.944,0:03:27.505
Например, углерод.
0:03:27.505,0:03:29.531
Мои волосы сделаны из углерода.
0:03:29.531,0:03:36.152
Большая часть меня сделана из углерода. Большая часть живых существ сделана из углерода.
0:03:36.157,0:03:42.032
Итак, посмотрите на мои волосы. Мои волосы - углерод. Мои волосы - это в основном углерод.
0:03:42.033,0:03:46.606
Так, если бы мы взяли мои волосы... Мои волосы не желтого цвета, но они прекрасно контрастируют с черным.
0:03:46.606,0:03:49.822
У меня черные волосы. Если бы я показал их на экране, вы бы не смогли их увидеть.
0:03:49.822,0:03:54.980
Но если бы вы посмотрели на мои волосы, я бы спросил вас: сколько атомов углерода мой волос в ширину?
0:03:54.994,0:04:02.671
Как если бы вы разрезали мой волос, поперёк, а не вдоль, и спросили: сколько атомов углерода он в ширину?
0:04:02.671,0:04:07.224
Вы могли бы догадаться, "о, он уже сказал мне, что они очень малы,
0:04:07.224,0:04:10.533
так что здесь может быть целая тысяча углеродных атомов, или десять тысяч, или сто тысяч",
0:04:10.533,0:04:11.630
а я бы сказал: "нет!".
0:04:11.630,0:04:14.333
Здесь один миллион атомов углерода.
0:04:14.333,0:04:21.318
Вы можете растянуть один миллион атомов углерода в струну, длина которой будет равна толщине волоса.
0:04:21.318,0:04:26.750
Разумеется, это лишь приближение, их не ровно 1,000,000. Но это позволяет вам почувствовать, насколько же малы атомы.
0:04:26.750,0:04:31.137
Вырвите волос из своей головы и представьте, как бы вы поместили один миллион предметов
0:04:31.137,0:04:37.564
рядом друг с другом по ширине этого волоса.
0:04:37.564,0:04:42.904
Сложно даже увидеть, какой толщины волос. И там находится один миллион атомов углерода.
0:04:42.904,0:04:46.414
Это довольно круто уже само по себе.
0:04:46.414,0:04:51.246
Нам известно, что существуют наименьшие частицы, "строительные блоки", "кирпичики" углерода,
0:04:51.246,0:04:54.138
и не только углерода, но и всех остальных элементов.
0:04:54.138,0:04:58.585
Но что ещё круче, так это то, что эти блоки связаны между собой.
0:04:58.585,0:05:02.794
Атом углерода состоит из ещё более "фундаментальных" частиц.
0:05:02.794,0:05:07.567
Атом золота состоит из ещё более фундаментальных частиц.
0:05:07.567,0:05:12.782
Сами элементы определяются тем, как организованы эти фундаментальные частицы.
0:05:12.782,0:05:15.932
Если бы вы могли изменять количество имеющихся у элемента элементарных частиц,
0:05:15.932,0:05:18.133
вы смогли бы изменять свойства этого элемента,
0:05:18.133,0:05:18.936
то, как он вступает в реакции,
0:05:18.936,0:05:22.193
или же вы могли бы изменить сам элемент на другой.
0:05:22.193,0:05:24.969
Просто для того, чтобы лучше понять.
0:05:24.969,0:05:27.896
Давайте поговорим об этих фундаментальных частицах.
0:05:27.896,0:05:32.939
Итак, у вас есть протон.
0:05:32.939,0:05:35.101
Протон определяет...
0:05:35.101,0:05:45.473
Число протонов в ядре атома, о котором мы поговорим позже, определяет элемент.
0:05:45.473,0:05:48.279
Если вы посмотрите на периодическую таблицу, то увидите,
0:05:48.279,0:05:50.348
что элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров,
0:05:50.348,0:05:54.823
а атомные номера - это количество протонов в элементе.
0:05:54.823,0:05:58.496
По определению, водород обладает одним протоном.
0:05:58.496,0:06:02.844
Гелий обладает двумя, углерод - шестью.
0:06:02.844,0:06:05.304
Не может быть углерода с 7 протонами.
0:06:05.304,0:06:07.160
Если бы он был, то он был бы азотом,
0:06:07.160,0:06:08.802
об бы больше не был углеродом.
0:06:08.802,0:06:10.899
У кислорода 8 протонов.
0:06:10.899,0:06:12.816
Если бы вы каким-либо образом добавили к ним ещё один протон,
0:06:12.816,0:06:14.381
то кислород не был бы больше кислородом.
0:06:14.381,0:06:20.004
Он стал бы фтором. Протоны определяют элементы.
0:06:20.004,0:06:25.020
И атомное число, число протонов в ядре...
0:06:25.020,0:06:27.628
запомните, это тот номер, что записан вот здесь
0:06:27.628,0:06:29.829
для каждого из элементов в таблице.
0:06:29.829,0:06:32.911
Число протонов равняется атомному числу,
0:06:32.911,0:06:37.341
порядковому номеру элемента.
0:06:37.341,0:06:41.140
Эти номера записаны здесь потому, что ими определяются свойства элементов.
0:06:41.140,0:06:45.873
Две другие составные части атома
0:06:45.873,0:06:47.402
(я думаю, мы могли бы их так называть)
0:06:47.402,0:06:54.832
- это электрон и нейтрон.
0:06:54.832,0:06:57.700
Модель, которую вы начали строить в своей голове,
0:06:57.700,0:07:00.954
как вы увидите по мере своего продвижения по химической науке,
0:07:00.954,0:07:02.808
в будущем станет немного более абстрактной
0:07:02.808,0:07:04.703
и достаточно сложной для осмысления.
0:07:04.703,0:07:06.131
Можно думать о ней так:
0:07:06.131,0:07:09.780
у вас есть протоны и нейтроны, находящиеся в центре атома,
0:07:09.780,0:07:11.028
они - ядро атома.
0:07:11.028,0:07:14.834
К примеру, углерод, как нам известно, имеет 6 протонов.
0:07:14.834,0:07:18.243
Так что один, два, три, четыре, пять, шесть.
0:07:18.243,0:07:22.301
Углерод-12, являющийся одной из вариаций атома углерода,
0:07:22.301,0:07:24.056
также будет иметь шесть нейтронов.
0:07:24.056,0:07:25.981
Вы можете иметь различные вариации углерода,
0:07:25.981,0:07:27.775
различающиеся между собой количеством нейтронов.
0:07:27.775,0:07:30.237
Количество нейтронов и электронов может меняться,
0:07:30.237,0:07:31.966
но это будет всё тот же элемент.
0:07:31.966,0:07:33.332
Протоны меняться не могут.
0:07:33.332,0:07:35.582
Если вы изменяете число протонов, вы получаете другой элемент.
0:07:35.582,0:07:39.050
Давайте я нарисую ядро углерода-12.
0:07:39.050,0:07:42.991
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
0:07:42.991,0:07:46.415
Вот перед нами ядро углерода-12.
0:07:46.415,0:07:48.039
Иногда оно может быть записано в таком виде.
0:07:48.039,0:07:52.275
Иногда может быть записано также и количество протонов.
0:07:52.275,0:07:56.197
Причина того, что мы называем его углеродом-12,
0:07:56.197,0:07:58.736
(а здесь я отсчитал шесть нейтронов)
0:07:58.736,0:08:04.509
заключается в том, что общее... это один из возможных взглядов на этот вопрос,
0:08:04.509,0:08:11.758
мы подробнее рассмотрим его позже. 12 - это общее число протонов и нейтронов в ядре атома элемента.
0:08:11.758,0:08:15.116
Углерод по определению имеет атомный номер 6,
0:08:15.116,0:08:18.716
но мы можем написать это здесь, просто затем, чтобы напомнить себе об этом.
0:08:18.716,0:08:21.461
Итак, в центре углеродного атома находится такое ядро.
0:08:21.461,0:08:24.649
Углерод-12 будет иметь в нём 6 протонов и 6 нейтронов.
0:08:24.649,0:08:27.414
Другая версия углерода, углерод-14, будет по-прежнему
0:08:27.414,0:08:30.919
иметь 6 протонов, но будет иметь 8 нейтронов.
0:08:30.919,0:08:32.510
Таким образом, число нейтронов может варьироваться.
0:08:32.510,0:08:34.123
Но вот перед нами углерод-12,
0:08:34.123,0:08:36.858
и если углерод-12 [электро]нейтрален,
0:08:36.858,0:08:40.516
(это слово я также поясню чуть позже)
0:08:40.516,0:08:43.442
если он нейтрален, то он будет также иметь и 6 электонов.
0:08:43.442,0:08:45.458
Давайте я нарисую эти шесть электронов.
0:08:45.458,0:08:49.340
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
0:08:49.340,0:08:52.455
Один из способов... и, возможно, простейший способ
0:08:52.455,0:08:58.849
представить себе взаимоотношения между электронами и ядром - это представить себе, как электроны
0:08:58.849,0:09:02.909
двигаются вокруг ядра, носятся вокруг него.
0:09:02.909,0:09:08.113
Вы можете представить их движущимися вокруг ядра по орбитам, но это не совсем правильно.
0:09:08.113,0:09:11.656
Они не двигаются по орбитам, как это делают планеты вокруг Солнца.
0:09:11.656,0:09:13.864
Но это хорошая отправная точка.
0:09:13.864,0:09:18.540
Другой способ представить их движение - как будто бы они "прыгают" вокруг ядра, или "роятся" вокруг него.
0:09:18.540,0:09:22.113
Всё это необходимо только из-за того, что реальность становится очень странной в этом месте.
0:09:22.113,0:09:26.413
Нам придётся податься в квантовую физику для того, чтобы понять, что на самом деле делает электрон.
0:09:26.413,0:09:29.733
Но первой мысленной моделью в вашей голове должно быть то,
0:09:29.733,0:09:34.137
что в центре этого атома, атома углерода-12, находится ядро.
0:09:34.137,0:09:37.023
Вот это ядро.
0:09:37.023,0:09:40.726
И эти электроны перемещаются вокруг этого ядра.
0:09:40.726,0:09:45.377
И причина того, что эти электроны перемещаются вокруг ядра, никуда от него не отлетая,
0:09:45.377,0:09:47.528
причина того, что они, в некотором роде, привязаны к этому ядру,
0:09:47.528,0:09:49.451
и того, что они являются частью этого атома,
0:09:49.451,0:09:54.409
заключается в том, что протоны обладают положительным электрическим зарядом,
0:09:54.409,0:09:57.931
а электроны обладают отрицательным.
0:09:57.931,0:10:02.535
Это одно из свойств этих фундаментальных частиц.
0:10:02.535,0:10:05.413
Когда вы начинаете задумываться о том, чем в принципе является заряд,
0:10:05.413,0:10:07.060
это оказывается достаточно глубоким вопросом.
0:10:07.060,0:10:10.715
Но что нам достоверно известно об электромагнитных взаимодействиях,
0:10:10.715,0:10:13.273
так это то, что противоположные заряды притягиваются друг к другу.
0:10:13.273,0:10:15.296
Так что лучше всего представить себе это так:
0:10:15.296,0:10:19.905
протоны и электроны притягиваются друг к другу потому, что имеют противоположные электрические заряды.
0:10:19.905,0:10:25.128
Нейтроны нейтральны, так что они просто находятся внутри ядра
0:10:25.128,0:10:33.115
и на некотором уровне влияют оттуда на свойства конкретных атомов и конкретных элементов.
0:10:33.115,0:10:38.561
Причина того, что электроны не разлетаются во все стороны, заключается в том, что они притягиваются.
0:10:38.561,0:10:42.293
Они притягиваются к ядру.
0:10:42.293,0:10:45.131
И ещё они обладают невероятной скоростью.
0:10:45.131,0:10:51.206
Это достаточно сложно... мы снова прикасаемся к очень странному разделу физики,
0:10:51.206,0:10:54.017
когда начинаем говорить о том, что же электрон на самом деле делает
0:10:54.017,0:10:55.660
но он обладает достаточно...
0:10:55.660,0:11:01.344
Я полагаю, вы могли бы сказать, что он так скачет вокруг ядра, что это не позволяет ему упасть на ядро.
0:11:01.344,0:11:03.488
Думаю, это один из способов взглянуть на этот вопрос.
0:11:03.488,0:11:09.948
Итак, я упомянул углерод-12, определенный числом протонов.
0:11:09.948,0:11:12.588
Кислород был бы определен по тому, что имеет 8 протонов.
0:11:12.588,0:11:16.487
Но снова, электроны могут взаимодействовать с другими электронами.
0:11:16.487,0:11:19.050
Они могут забираться другими атомами.
0:11:19.050,0:11:23.235
И в этом заключается большая часть нашего понимания химии.
0:11:23.235,0:11:27.741
Оно основано на том, как много электроном имеется у атома, у атома определенного элемента,
0:11:27.741,0:11:33.984
и как эти электроны распределены, как распределены электроны других элементов,
0:11:33.984,0:11:36.326
или, может быть, других атомов того же самого элемента?
0:11:36.326,0:11:43.152
Мы можем предсказывать, как атом одного элемента мог бы прореагировать с другим атомом того же элемента,
0:11:43.152,0:11:46.971
или как атом одного элемента реагировал бы,
0:11:46.971,0:11:52.399
как бы он образовывал связи с, как бы притягивался к или отталкивал бы другой атом другого элемента.
0:11:52.399,0:11:56.530
К примеру, - я расскажу много всего об этом в будущем, - это:
0:11:56.530,0:12:02.937
атом другого элемента может забрать себе принадлежащий углероду электрон,
0:12:02.937,0:12:04.973
в силу некоторых причин.
0:12:04.973,0:12:10.624
Позже мы поговорим о том, что конкретные нейтральные атомы конкретных элементов
0:12:10.624,0:12:13.852
обладают более сильной способностью притягивать электроны, чем другие.
0:12:13.852,0:12:16.832
И один из таких атомов мог бы "украсть" электрон у углерода,
0:12:16.832,0:12:20.851
и тогда углерод имел бы меньше электронов, чем он имеет протонов,
0:12:20.851,0:12:25.196
пять электронов против шести протонов.
0:12:25.196,0:12:27.842
Такой углерод обладал бы положительным зарядом.
0:12:27.842,0:12:33.044
Углерод-12, который я нарисовал в начале, имел по 6 протонов и нейтронов,
0:12:33.044,0:12:34.589
и они нейтрализовали заряды друг друга.
0:12:34.589,0:12:37.021
Если бы я потерял электрон, то у меня бы осталось 5 электронов,
0:12:37.021,0:12:39.037
и тогда я имел бы положительный заряд.
0:12:39.037,0:12:42.943
И мы ещё много раз поговорим об этом за время нашего курса,
0:12:42.943,0:12:46.065
но, надеюсь, вы чувствуете, насколько всё это становится круто.
0:12:46.065,0:12:52.936
Мы уже можем добраться до этого фундаментального "кирпичика", называемого атомом.
0:12:52.936,0:12:55.758
А ещё круче то, что эти фундаментальные "кирпичики" сами построены
0:12:55.758,0:12:58.609
из ещё более фундаментальных "кирпичиков"!
0:12:58.609,0:13:07.824
И все эти вещи могут меняться, изменяя свойства атома, или даже переходить от атома одного элемента к атому другого.