1
00:00:00,542 --> 00:00:03,027
Мы, люди, на протяжении тысячелетий,
2
00:00:03,027 --> 00:00:06,639
просто в результате наблюдений за окружающей нас средой, знали, что существуют различные вещества,
3
00:00:06,639 --> 00:00:09,911
и эти вещества склонны проявлять различные свойства.
4
00:00:09,911 --> 00:00:11,407
Они не просто отличались свойствами;
5
00:00:11,407 --> 00:00:14,191
они могли отражать свет каким-то определенным образом или не отражать его вовсе,
6
00:00:14,191 --> 00:00:17,570
быть определенного цвета, иметь определенную температуру и, при определенной температуре,
7
00:00:17,570 --> 00:00:20,128
быть жидкостью, газом или твердым телом.
8
00:00:20,128 --> 00:00:24,718
Мы начали замечать, как они реагируют друг с другом при определенных условиях.
9
00:00:24,718 --> 00:00:27,097
Вот изображения этих веществ:
10
00:00:27,097 --> 00:00:31,381
вот углерод в форме графита,
11
00:00:31,381 --> 00:00:35,880
вот свинец, и вот золото.
12
00:00:35,880 --> 00:00:38,743
Все те вещества, что я нарисовал и показал на картинках,
13
00:00:38,743 --> 00:00:41,467
я взял вот с этого сайта.
14
00:00:41,467 --> 00:00:45,061
Все они в твердом состоянии, но нам также известно, что мы...
15
00:00:45,061 --> 00:00:47,316
Это выглядит так, как если бы в них были определенные виды воздуха,
16
00:00:47,316 --> 00:00:49,059
определенные виды частиц воздуха,
17
00:00:49,059 --> 00:00:51,764
и, в зависимости от того, на какой из типов частиц воздуха вы смотрите,
18
00:00:51,764 --> 00:00:55,554
будь это углерод, кислород или азот,
19
00:00:55,554 --> 00:00:57,599
они проявляют различные свойства.
20
00:00:57,765 --> 00:01:02,352
Жидкостями могут быть различные вещества, если вы разогреете их до достаточно высокой температуры.
21
00:01:02,352 --> 00:01:05,364
Если вы разогреете до определенной температуры золото или свинец,
22
00:01:05,364 --> 00:01:06,141
вы можете получить жидкость.
23
00:01:06,141 --> 00:01:10,135
Или, если вы... если вы сожжёте углерод,
24
00:01:10,311 --> 00:01:13,524
вы сможете получить его в газообразном состоянии, сможете выпустить его в атмосферу,
25
00:01:13,524 --> 00:01:14,933
сможете разрушить его структуру.
26
00:01:14,933 --> 00:01:17,423
Это - те вещи, которые все мы, в некоторой мере...
27
00:01:17,423 --> 00:01:20,690
те вещи, которые человечество наблюдало в течении тысячелетий.
28
00:01:20,914 --> 00:01:22,302
И это приводит нас к естественному вопросу,
29
00:01:22,302 --> 00:01:24,319
который считался прежде философским,
30
00:01:24,319 --> 00:01:26,393
но теперь может получить более однозначный ответ.
31
00:01:26,393 --> 00:01:31,184
Если вы продолжите разрушать этот углерод
32
00:01:31,184 --> 00:01:33,373
на всё более и более мелкие частицы,
33
00:01:33,373 --> 00:01:35,940
то существует ли некая мельчайшая частица,
34
00:01:35,940 --> 00:01:40,084
самая маленькая возможная часть этого вещества,
35
00:01:40,084 --> 00:01:43,087
которая по-прежнему сохраняла бы его, углерода, свойства?
36
00:01:43,087 --> 00:01:45,459
Так, что если бы вы каким либо образом продолжили дальнейшее разрушение,
37
00:01:45,459 --> 00:01:47,590
то потеряли бы эти свойства?
38
00:01:47,590 --> 00:01:49,891
И ответ: существует.
39
00:01:49,891 --> 00:01:51,787
Просто чтобы понять нашу терминологию:
40
00:01:51,787 --> 00:01:56,336
эти различные чистые вещества,
41
00:01:56,336 --> 00:01:59,284
обладающие определенными свойствами при определенных температурах
42
00:01:59,284 --> 00:02:00,851
и реагирующие определенным образом,
43
00:02:00,851 --> 00:02:05,040
мы называем элементами.
44
00:02:05,040 --> 00:02:08,760
Углерод - это элемент. Свинец - это элемент. Золото - это элемент.
45
00:02:08,760 --> 00:02:11,001
Вы могли бы сказать, что и вода - это элемент.
46
00:02:11,001 --> 00:02:14,396
И в прошлом люди говорили о воде, как об элементе.
47
00:02:14,396 --> 00:02:18,045
Но сегодня мы знаем, что вода состоит из более простых элементов.
48
00:02:18,045 --> 00:02:20,755
Она состоит из кислорода и водорода.
49
00:02:20,755 --> 00:02:24,998
Все известные нам элементы перечислены здесь,
50
00:02:24,998 --> 00:02:27,778
в периодической таблице химических элементов.
51
00:02:27,778 --> 00:02:29,432
Углерод обозначается "C", "Carbon"
52
00:02:29,432 --> 00:02:32,426
Сейчас я скажу лишь о тех, что наиболее важны для человечества,
53
00:02:32,426 --> 00:02:35,370
но со временем вы, вероятно, познакомитесь с каждым из них.
54
00:02:35,370 --> 00:02:39,354
Это кислород. Это азот. Это кремний.
55
00:02:39,354 --> 00:02:43,137
Это "Au", золото. Это - свинец.
56
00:02:43,137 --> 00:02:52,355
Наиболее мелкой частичкой любого из этих элементов является атом.
57
00:02:52,355 --> 00:02:56,852
Так, если вы продолжите начатое и будете продолжать дробить вещество на всё более мелкие части,
58
00:02:56,852 --> 00:02:59,590
в конце концов вы получите атом углерода.
59
00:02:59,590 --> 00:03:02,806
Сделайте то же самое с золотом, и вы получите атом золота.
60
00:03:02,806 --> 00:03:07,164
Проделав то же со свинцом, вы получите некоторое количество этой, за неимением лучшего слова,
61
00:03:07,164 --> 00:03:09,487
частицы, называемой атомом свинца.
62
00:03:09,487 --> 00:03:13,565
Вы уже не сможете расщепить его, но это всё ещё будет свинец,
63
00:03:13,565 --> 00:03:16,710
так как он по-прежнему обладает свойствами свинца.
64
00:03:16,710 --> 00:03:18,729
И просто для того, чтобы дать вам представление,
65
00:03:18,729 --> 00:03:20,960
(а это - то, что мне всегда было сложно представить)
66
00:03:20,960 --> 00:03:24,489
о том, что атомы невообразимо малы.
67
00:03:24,489 --> 00:03:25,944
Совершенно серьезно, невообразимо малы.
68
00:03:25,944 --> 00:03:27,505
Например, углерод.
69
00:03:27,505 --> 00:03:29,531
Мои волосы сделаны из углерода.
70
00:03:29,531 --> 00:03:36,152
Большая часть меня сделана из углерода. Большая часть живых существ сделана из углерода.
71
00:03:36,157 --> 00:03:42,032
Итак, посмотрите на мои волосы. Мои волосы - углерод. Мои волосы - это в основном углерод.
72
00:03:42,033 --> 00:03:46,606
Так, если бы мы взяли мои волосы... Мои волосы не желтого цвета, но они прекрасно контрастируют с черным.
73
00:03:46,606 --> 00:03:49,822
У меня черные волосы. Если бы я показал их на экране, вы бы не смогли их увидеть.
74
00:03:49,822 --> 00:03:54,980
Но если бы вы посмотрели на мои волосы, я бы спросил вас: сколько атомов углерода мой волос в ширину?
75
00:03:54,994 --> 00:04:02,671
Как если бы вы разрезали мой волос, поперёк, а не вдоль, и спросили: сколько атомов углерода он в ширину?
76
00:04:02,671 --> 00:04:07,224
Вы могли бы догадаться, "о, он уже сказал мне, что они очень малы,
77
00:04:07,224 --> 00:04:10,533
так что здесь может быть целая тысяча углеродных атомов, или десять тысяч, или сто тысяч",
78
00:04:10,533 --> 00:04:11,630
а я бы сказал: "нет!".
79
00:04:11,630 --> 00:04:14,333
Здесь один миллион атомов углерода.
80
00:04:14,333 --> 00:04:21,318
Вы можете растянуть один миллион атомов углерода в струну, длина которой будет равна толщине волоса.
81
00:04:21,318 --> 00:04:26,750
Разумеется, это лишь приближение, их не ровно 1,000,000. Но это позволяет вам почувствовать, насколько же малы атомы.
82
00:04:26,750 --> 00:04:31,137
Вырвите волос из своей головы и представьте, как бы вы поместили один миллион предметов
83
00:04:31,137 --> 00:04:37,564
рядом друг с другом по ширине этого волоса.
84
00:04:37,564 --> 00:04:42,904
Сложно даже увидеть, какой толщины волос. И там находится один миллион атомов углерода.
85
00:04:42,904 --> 00:04:46,414
Это довольно круто уже само по себе.
86
00:04:46,414 --> 00:04:51,246
Нам известно, что существуют наименьшие частицы, "строительные блоки", "кирпичики" углерода,
87
00:04:51,246 --> 00:04:54,138
и не только углерода, но и всех остальных элементов.
88
00:04:54,138 --> 00:04:58,585
Но что ещё круче, так это то, что эти блоки связаны между собой.
89
00:04:58,585 --> 00:05:02,794
Атом углерода состоит из ещё более "фундаментальных" частиц.
90
00:05:02,794 --> 00:05:07,567
Атом золота состоит из ещё более фундаментальных частиц.
91
00:05:07,567 --> 00:05:12,782
Сами элементы определяются тем, как организованы эти фундаментальные частицы.
92
00:05:12,782 --> 00:05:15,932
Если бы вы могли изменять количество имеющихся у элемента элементарных частиц,
93
00:05:15,932 --> 00:05:18,133
вы смогли бы изменять свойства этого элемента,
94
00:05:18,133 --> 00:05:18,936
то, как он вступает в реакции,
95
00:05:18,936 --> 00:05:22,193
или же вы могли бы изменить сам элемент на другой.
96
00:05:22,193 --> 00:05:24,969
Просто для того, чтобы лучше понять.
97
00:05:24,969 --> 00:05:27,896
Давайте поговорим об этих фундаментальных частицах.
98
00:05:27,896 --> 00:05:32,939
Итак, у вас есть протон.
99
00:05:32,939 --> 00:05:35,101
Протон определяет...
100
00:05:35,101 --> 00:05:45,473
Число протонов в ядре атома, о котором мы поговорим позже, определяет элемент.
101
00:05:45,473 --> 00:05:48,279
Если вы посмотрите на периодическую таблицу, то увидите,
102
00:05:48,279 --> 00:05:50,348
что элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров,
103
00:05:50,348 --> 00:05:54,823
а атомные номера - это количество протонов в элементе.
104
00:05:54,823 --> 00:05:58,496
По определению, водород обладает одним протоном.
105
00:05:58,496 --> 00:06:02,844
Гелий обладает двумя, углерод - шестью.
106
00:06:02,844 --> 00:06:05,304
Не может быть углерода с 7 протонами.
107
00:06:05,304 --> 00:06:07,160
Если бы он был, то он был бы азотом,
108
00:06:07,160 --> 00:06:08,802
об бы больше не был углеродом.
109
00:06:08,802 --> 00:06:10,899
У кислорода 8 протонов.
110
00:06:10,899 --> 00:06:12,816
Если бы вы каким-либо образом добавили к ним ещё один протон,
111
00:06:12,816 --> 00:06:14,381
то кислород не был бы больше кислородом.
112
00:06:14,381 --> 00:06:20,004
Он стал бы фтором. Протоны определяют элементы.
113
00:06:20,004 --> 00:06:25,020
И атомное число, число протонов в ядре...
114
00:06:25,020 --> 00:06:27,628
запомните, это тот номер, что записан вот здесь
115
00:06:27,628 --> 00:06:29,829
для каждого из элементов в таблице.
116
00:06:29,829 --> 00:06:32,911
Число протонов равняется атомному числу,
117
00:06:32,911 --> 00:06:37,341
порядковому номеру элемента.
118
00:06:37,341 --> 00:06:41,140
Эти номера записаны здесь потому, что ими определяются свойства элементов.
119
00:06:41,140 --> 00:06:45,873
Две другие составные части атома
120
00:06:45,873 --> 00:06:47,402
(я думаю, мы могли бы их так называть)
121
00:06:47,402 --> 00:06:54,832
- это электрон и нейтрон.
122
00:06:54,832 --> 00:06:57,700
Модель, которую вы начали строить в своей голове,
123
00:06:57,700 --> 00:07:00,954
как вы увидите по мере своего продвижения по химической науке,
124
00:07:00,954 --> 00:07:02,808
в будущем станет немного более абстрактной
125
00:07:02,808 --> 00:07:04,703
и достаточно сложной для осмысления.
126
00:07:04,703 --> 00:07:06,131
Можно думать о ней так:
127
00:07:06,131 --> 00:07:09,780
у вас есть протоны и нейтроны, находящиеся в центре атома,
128
00:07:09,780 --> 00:07:11,028
они - ядро атома.
129
00:07:11,028 --> 00:07:14,834
К примеру, углерод, как нам известно, имеет 6 протонов.
130
00:07:14,834 --> 00:07:18,243
Так что один, два, три, четыре, пять, шесть.
131
00:07:18,243 --> 00:07:22,301
Углерод-12, являющийся одной из вариаций атома углерода,
132
00:07:22,301 --> 00:07:24,056
также будет иметь шесть нейтронов.
133
00:07:24,056 --> 00:07:25,981
Вы можете иметь различные вариации углерода,
134
00:07:25,981 --> 00:07:27,775
различающиеся между собой количеством нейтронов.
135
00:07:27,775 --> 00:07:30,237
Количество нейтронов и электронов может меняться,
136
00:07:30,237 --> 00:07:31,966
но это будет всё тот же элемент.
137
00:07:31,966 --> 00:07:33,332
Протоны меняться не могут.
138
00:07:33,332 --> 00:07:35,582
Если вы изменяете число протонов, вы получаете другой элемент.
139
00:07:35,582 --> 00:07:39,050
Давайте я нарисую ядро углерода-12.
140
00:07:39,050 --> 00:07:42,991
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
141
00:07:42,991 --> 00:07:46,415
Вот перед нами ядро углерода-12.
142
00:07:46,415 --> 00:07:48,039
Иногда оно может быть записано в таком виде.
143
00:07:48,039 --> 00:07:52,275
Иногда может быть записано также и количество протонов.
144
00:07:52,275 --> 00:07:56,197
Причина того, что мы называем его углеродом-12,
145
00:07:56,197 --> 00:07:58,736
(а здесь я отсчитал шесть нейтронов)
146
00:07:58,736 --> 00:08:04,509
заключается в том, что общее... это один из возможных взглядов на этот вопрос,
147
00:08:04,509 --> 00:08:11,758
мы подробнее рассмотрим его позже. 12 - это общее число протонов и нейтронов в ядре атома элемента.
148
00:08:11,758 --> 00:08:15,116
Углерод по определению имеет атомный номер 6,
149
00:08:15,116 --> 00:08:18,716
но мы можем написать это здесь, просто затем, чтобы напомнить себе об этом.
150
00:08:18,716 --> 00:08:21,461
Итак, в центре углеродного атома находится такое ядро.
151
00:08:21,461 --> 00:08:24,649
Углерод-12 будет иметь в нём 6 протонов и 6 нейтронов.
152
00:08:24,649 --> 00:08:27,414
Другая версия углерода, углерод-14, будет по-прежнему
153
00:08:27,414 --> 00:08:30,919
иметь 6 протонов, но будет иметь 8 нейтронов.
154
00:08:30,919 --> 00:08:32,510
Таким образом, число нейтронов может варьироваться.
155
00:08:32,510 --> 00:08:34,123
Но вот перед нами углерод-12,
156
00:08:34,123 --> 00:08:36,858
и если углерод-12 [электро]нейтрален,
157
00:08:36,858 --> 00:08:40,516
(это слово я также поясню чуть позже)
158
00:08:40,516 --> 00:08:43,442
если он нейтрален, то он будет также иметь и 6 электонов.
159
00:08:43,442 --> 00:08:45,458
Давайте я нарисую эти шесть электронов.
160
00:08:45,458 --> 00:08:49,340
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
161
00:08:49,340 --> 00:08:52,455
Один из способов... и, возможно, простейший способ
162
00:08:52,455 --> 00:08:58,849
представить себе взаимоотношения между электронами и ядром - это представить себе, как электроны
163
00:08:58,849 --> 00:09:02,909
двигаются вокруг ядра, носятся вокруг него.
164
00:09:02,909 --> 00:09:08,113
Вы можете представить их движущимися вокруг ядра по орбитам, но это не совсем правильно.
165
00:09:08,113 --> 00:09:11,656
Они не двигаются по орбитам, как это делают планеты вокруг Солнца.
166
00:09:11,656 --> 00:09:13,864
Но это хорошая отправная точка.
167
00:09:13,864 --> 00:09:18,540
Другой способ представить их движение - как будто бы они "прыгают" вокруг ядра, или "роятся" вокруг него.
168
00:09:18,540 --> 00:09:22,113
Всё это необходимо только из-за того, что реальность становится очень странной в этом месте.
169
00:09:22,113 --> 00:09:26,413
Нам придётся податься в квантовую физику для того, чтобы понять, что на самом деле делает электрон.
170
00:09:26,413 --> 00:09:29,733
Но первой мысленной моделью в вашей голове должно быть то,
171
00:09:29,733 --> 00:09:34,137
что в центре этого атома, атома углерода-12, находится ядро.
172
00:09:34,137 --> 00:09:37,023
Вот это ядро.
173
00:09:37,023 --> 00:09:40,726
И эти электроны перемещаются вокруг этого ядра.
174
00:09:40,726 --> 00:09:45,377
И причина того, что эти электроны перемещаются вокруг ядра, никуда от него не отлетая,
175
00:09:45,377 --> 00:09:47,528
причина того, что они, в некотором роде, привязаны к этому ядру,
176
00:09:47,528 --> 00:09:49,451
и того, что они являются частью этого атома,
177
00:09:49,451 --> 00:09:54,409
заключается в том, что протоны обладают положительным электрическим зарядом,
178
00:09:54,409 --> 00:09:57,931
а электроны обладают отрицательным.
179
00:09:57,931 --> 00:10:02,535
Это одно из свойств этих фундаментальных частиц.
180
00:10:02,535 --> 00:10:05,413
Когда вы начинаете задумываться о том, чем в принципе является заряд,
181
00:10:05,413 --> 00:10:07,060
это оказывается достаточно глубоким вопросом.
182
00:10:07,060 --> 00:10:10,715
Но что нам достоверно известно об электромагнитных взаимодействиях,
183
00:10:10,715 --> 00:10:13,273
так это то, что противоположные заряды притягиваются друг к другу.
184
00:10:13,273 --> 00:10:15,296
Так что лучше всего представить себе это так:
185
00:10:15,296 --> 00:10:19,905
протоны и электроны притягиваются друг к другу потому, что имеют противоположные электрические заряды.
186
00:10:19,905 --> 00:10:25,128
Нейтроны нейтральны, так что они просто находятся внутри ядра
187
00:10:25,128 --> 00:10:33,115
и на некотором уровне влияют оттуда на свойства конкретных атомов и конкретных элементов.
188
00:10:33,115 --> 00:10:38,561
Причина того, что электроны не разлетаются во все стороны, заключается в том, что они притягиваются.
189
00:10:38,561 --> 00:10:42,293
Они притягиваются к ядру.
190
00:10:42,293 --> 00:10:45,131
И ещё они обладают невероятной скоростью.
191
00:10:45,131 --> 00:10:51,206
Это достаточно сложно... мы снова прикасаемся к очень странному разделу физики,
192
00:10:51,206 --> 00:10:54,017
когда начинаем говорить о том, что же электрон на самом деле делает
193
00:10:54,017 --> 00:10:55,660
но он обладает достаточно...
194
00:10:55,660 --> 00:11:01,344
Я полагаю, вы могли бы сказать, что он так скачет вокруг ядра, что это не позволяет ему упасть на ядро.
195
00:11:01,344 --> 00:11:03,488
Думаю, это один из способов взглянуть на этот вопрос.
196
00:11:03,488 --> 00:11:09,948
Итак, я упомянул углерод-12, определенный числом протонов.
197
00:11:09,948 --> 00:11:12,588
Кислород был бы определен по тому, что имеет 8 протонов.
198
00:11:12,588 --> 00:11:16,487
Но снова, электроны могут взаимодействовать с другими электронами.
199
00:11:16,487 --> 00:11:19,050
Они могут забираться другими атомами.
200
00:11:19,050 --> 00:11:23,235
И в этом заключается большая часть нашего понимания химии.
201
00:11:23,235 --> 00:11:27,741
Оно основано на том, как много электроном имеется у атома, у атома определенного элемента,
202
00:11:27,741 --> 00:11:33,984
и как эти электроны распределены, как распределены электроны других элементов,
203
00:11:33,984 --> 00:11:36,326
или, может быть, других атомов того же самого элемента?
204
00:11:36,326 --> 00:11:43,152
Мы можем предсказывать, как атом одного элемента мог бы прореагировать с другим атомом того же элемента,
205
00:11:43,152 --> 00:11:46,971
или как атом одного элемента реагировал бы,
206
00:11:46,971 --> 00:11:52,399
как бы он образовывал связи с, как бы притягивался к или отталкивал бы другой атом другого элемента.
207
00:11:52,399 --> 00:11:56,530
К примеру, - я расскажу много всего об этом в будущем, - это:
208
00:11:56,530 --> 00:12:02,937
атом другого элемента может забрать себе принадлежащий углероду электрон,
209
00:12:02,937 --> 00:12:04,973
в силу некоторых причин.
210
00:12:04,973 --> 00:12:10,624
Позже мы поговорим о том, что конкретные нейтральные атомы конкретных элементов
211
00:12:10,624 --> 00:12:13,852
обладают более сильной способностью притягивать электроны, чем другие.
212
00:12:13,852 --> 00:12:16,832
И один из таких атомов мог бы "украсть" электрон у углерода,
213
00:12:16,832 --> 00:12:20,851
и тогда углерод имел бы меньше электронов, чем он имеет протонов,
214
00:12:20,851 --> 00:12:25,196
пять электронов против шести протонов.
215
00:12:25,196 --> 00:12:27,842
Такой углерод обладал бы положительным зарядом.
216
00:12:27,842 --> 00:12:33,044
Углерод-12, который я нарисовал в начале, имел по 6 протонов и нейтронов,
217
00:12:33,044 --> 00:12:34,589
и они нейтрализовали заряды друг друга.
218
00:12:34,589 --> 00:12:37,021
Если бы я потерял электрон, то у меня бы осталось 5 электронов,
219
00:12:37,021 --> 00:12:39,037
и тогда я имел бы положительный заряд.
220
00:12:39,037 --> 00:12:42,943
И мы ещё много раз поговорим об этом за время нашего курса,
221
00:12:42,943 --> 00:12:46,065
но, надеюсь, вы чувствуете, насколько всё это становится круто.
222
00:12:46,065 --> 00:12:52,936
Мы уже можем добраться до этого фундаментального "кирпичика", называемого атомом.
223
00:12:52,936 --> 00:12:55,758
А ещё круче то, что эти фундаментальные "кирпичики" сами построены
224
00:12:55,758 --> 00:12:58,609
из ещё более фундаментальных "кирпичиков"!
225
00:12:58,609 --> 00:13:07,824
И все эти вещи могут меняться, изменяя свойства атома, или даже переходить от атома одного элемента к атому другого.