-
Мы, люди, на протяжении тысячелетий,
-
просто в результате наблюдений за окружающей нас средой, знали, что существуют различные вещества,
-
и эти вещества склонны проявлять различные свойства.
-
Они не просто отличались свойствами;
-
они могли отражать свет каким-то определенным образом или не отражать его вовсе,
-
быть определенного цвета, иметь определенную температуру и, при определенной температуре,
-
быть жидкостью, газом или твердым телом.
-
Мы начали замечать, как они реагируют друг с другом при определенных условиях.
-
Вот изображения этих веществ:
-
вот углерод в форме графита,
-
вот свинец, и вот золото.
-
Все те вещества, что я нарисовал и показал на картинках,
-
я взял вот с этого сайта.
-
Все они в твердом состоянии, но нам также известно, что мы...
-
Это выглядит так, как если бы в них были определенные виды воздуха,
-
определенные виды частиц воздуха,
-
и, в зависимости от того, на какой из типов частиц воздуха вы смотрите,
-
будь это углерод, кислород или азот,
-
они проявляют различные свойства.
-
Жидкостями могут быть различные вещества, если вы разогреете их до достаточно высокой температуры.
-
Если вы разогреете до определенной температуры золото или свинец,
-
вы можете получить жидкость.
-
Или, если вы... если вы сожжёте углерод,
-
вы сможете получить его в газообразном состоянии, сможете выпустить его в атмосферу,
-
сможете разрушить его структуру.
-
Это - те вещи, которые все мы, в некоторой мере...
-
те вещи, которые человечество наблюдало в течении тысячелетий.
-
И это приводит нас к естественному вопросу,
-
который считался прежде философским,
-
но теперь может получить более однозначный ответ.
-
Если вы продолжите разрушать этот углерод
-
на всё более и более мелкие частицы,
-
то существует ли некая мельчайшая частица,
-
самая маленькая возможная часть этого вещества,
-
которая по-прежнему сохраняла бы его, углерода, свойства?
-
Так, что если бы вы каким либо образом продолжили дальнейшее разрушение,
-
то потеряли бы эти свойства?
-
И ответ: существует.
-
Просто чтобы понять нашу терминологию:
-
эти различные чистые вещества,
-
обладающие определенными свойствами при определенных температурах
-
и реагирующие определенным образом,
-
мы называем элементами.
-
Углерод - это элемент. Свинец - это элемент. Золото - это элемент.
-
Вы могли бы сказать, что и вода - это элемент.
-
И в прошлом люди говорили о воде, как об элементе.
-
Но сегодня мы знаем, что вода состоит из более простых элементов.
-
Она состоит из кислорода и водорода.
-
Все известные нам элементы перечислены здесь,
-
в периодической таблице химических элементов.
-
Углерод обозначается "C", "Carbon"
-
Сейчас я скажу лишь о тех, что наиболее важны для человечества,
-
но со временем вы, вероятно, познакомитесь с каждым из них.
-
Это кислород. Это азот. Это кремний.
-
Это "Au", золото. Это - свинец.
-
Наиболее мелкой частичкой любого из этих элементов является атом.
-
Так, если вы продолжите начатое и будете продолжать дробить вещество на всё более мелкие части,
-
в конце концов вы получите атом углерода.
-
Сделайте то же самое с золотом, и вы получите атом золота.
-
Проделав то же со свинцом, вы получите некоторое количество этой, за неимением лучшего слова,
-
частицы, называемой атомом свинца.
-
Вы уже не сможете расщепить его, но это всё ещё будет свинец,
-
так как он по-прежнему обладает свойствами свинца.
-
И просто для того, чтобы дать вам представление,
-
(а это - то, что мне всегда было сложно представить)
-
о том, что атомы невообразимо малы.
-
Совершенно серьезно, невообразимо малы.
-
Например, углерод.
-
Мои волосы сделаны из углерода.
-
Большая часть меня сделана из углерода. Большая часть живых существ сделана из углерода.
-
Итак, посмотрите на мои волосы. Мои волосы - углерод. Мои волосы - это в основном углерод.
-
Так, если бы мы взяли мои волосы... Мои волосы не желтого цвета, но они прекрасно контрастируют с черным.
-
У меня черные волосы. Если бы я показал их на экране, вы бы не смогли их увидеть.
-
Но если бы вы посмотрели на мои волосы, я бы спросил вас: сколько атомов углерода мой волос в ширину?
-
Как если бы вы разрезали мой волос, поперёк, а не вдоль, и спросили: сколько атомов углерода он в ширину?
-
Вы могли бы догадаться, "о, он уже сказал мне, что они очень малы,
-
так что здесь может быть целая тысяча углеродных атомов, или десять тысяч, или сто тысяч",
-
а я бы сказал: "нет!".
-
Здесь один миллион атомов углерода.
-
Вы можете растянуть один миллион атомов углерода в струну, длина которой будет равна толщине волоса.
-
Разумеется, это лишь приближение, их не ровно 1,000,000. Но это позволяет вам почувствовать, насколько же малы атомы.
-
Вырвите волос из своей головы и представьте, как бы вы поместили один миллион предметов
-
рядом друг с другом по ширине этого волоса.
-
Сложно даже увидеть, какой толщины волос. И там находится один миллион атомов углерода.
-
Это довольно круто уже само по себе.
-
Нам известно, что существуют наименьшие частицы, "строительные блоки", "кирпичики" углерода,
-
и не только углерода, но и всех остальных элементов.
-
Но что ещё круче, так это то, что эти блоки связаны между собой.
-
Атом углерода состоит из ещё более "фундаментальных" частиц.
-
Атом золота состоит из ещё более фундаментальных частиц.
-
Сами элементы определяются тем, как организованы эти фундаментальные частицы.
-
Если бы вы могли изменять количество имеющихся у элемента элементарных частиц,
-
вы смогли бы изменять свойства этого элемента,
-
то, как он вступает в реакции,
-
или же вы могли бы изменить сам элемент на другой.
-
Просто для того, чтобы лучше понять.
-
Давайте поговорим об этих фундаментальных частицах.
-
Итак, у вас есть протон.
-
Протон определяет...
-
Число протонов в ядре атома, о котором мы поговорим позже, определяет элемент.
-
Если вы посмотрите на периодическую таблицу, то увидите,
-
что элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров,
-
а атомные номера - это количество протонов в элементе.
-
По определению, водород обладает одним протоном.
-
Гелий обладает двумя, углерод - шестью.
-
Не может быть углерода с 7 протонами.
-
Если бы он был, то он был бы азотом,
-
об бы больше не был углеродом.
-
У кислорода 8 протонов.
-
Если бы вы каким-либо образом добавили к ним ещё один протон,
-
то кислород не был бы больше кислородом.
-
Он стал бы фтором. Протоны определяют элементы.
-
И атомное число, число протонов в ядре...
-
запомните, это тот номер, что записан вот здесь
-
для каждого из элементов в таблице.
-
Число протонов равняется атомному числу,
-
порядковому номеру элемента.
-
Эти номера записаны здесь потому, что ими определяются свойства элементов.
-
Две другие составные части атома
-
(я думаю, мы могли бы их так называть)
-
- это электрон и нейтрон.
-
Модель, которую вы начали строить в своей голове,
-
как вы увидите по мере своего продвижения по химической науке,
-
в будущем станет немного более абстрактной
-
и достаточно сложной для осмысления.
-
Можно думать о ней так:
-
у вас есть протоны и нейтроны, находящиеся в центре атома,
-
они - ядро атома.
-
К примеру, углерод, как нам известно, имеет 6 протонов.
-
Так что один, два, три, четыре, пять, шесть.
-
Углерод-12, являющийся одной из вариаций атома углерода,
-
также будет иметь шесть нейтронов.
-
Вы можете иметь различные вариации углерода,
-
различающиеся между собой количеством нейтронов.
-
Количество нейтронов и электронов может меняться,
-
но это будет всё тот же элемент.
-
Протоны меняться не могут.
-
Если вы изменяете число протонов, вы получаете другой элемент.
-
Давайте я нарисую ядро углерода-12.
-
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
-
Вот перед нами ядро углерода-12.
-
Иногда оно может быть записано в таком виде.
-
Иногда может быть записано также и количество протонов.
-
Причина того, что мы называем его углеродом-12,
-
(а здесь я отсчитал шесть нейтронов)
-
заключается в том, что общее... это один из возможных взглядов на этот вопрос,
-
мы подробнее рассмотрим его позже. 12 - это общее число протонов и нейтронов в ядре атома элемента.
-
Углерод по определению имеет атомный номер 6,
-
но мы можем написать это здесь, просто затем, чтобы напомнить себе об этом.
-
Итак, в центре углеродного атома находится такое ядро.
-
Углерод-12 будет иметь в нём 6 протонов и 6 нейтронов.
-
Другая версия углерода, углерод-14, будет по-прежнему
-
иметь 6 протонов, но будет иметь 8 нейтронов.
-
Таким образом, число нейтронов может варьироваться.
-
Но вот перед нами углерод-12,
-
и если углерод-12 [электро]нейтрален,
-
(это слово я также поясню чуть позже)
-
если он нейтрален, то он будет также иметь и 6 электонов.
-
Давайте я нарисую эти шесть электронов.
-
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
-
Один из способов... и, возможно, простейший способ
-
представить себе взаимоотношения между электронами и ядром - это представить себе, как электроны
-
двигаются вокруг ядра, носятся вокруг него.
-
Вы можете представить их движущимися вокруг ядра по орбитам, но это не совсем правильно.
-
Они не двигаются по орбитам, как это делают планеты вокруг Солнца.
-
Но это хорошая отправная точка.
-
Другой способ представить их движение - как будто бы они "прыгают" вокруг ядра, или "роятся" вокруг него.
-
Всё это необходимо только из-за того, что реальность становится очень странной в этом месте.
-
Нам придётся податься в квантовую физику для того, чтобы понять, что на самом деле делает электрон.
-
Но первой мысленной моделью в вашей голове должно быть то,
-
что в центре этого атома, атома углерода-12, находится ядро.
-
Вот это ядро.
-
И эти электроны перемещаются вокруг этого ядра.
-
И причина того, что эти электроны перемещаются вокруг ядра, никуда от него не отлетая,
-
причина того, что они, в некотором роде, привязаны к этому ядру,
-
и того, что они являются частью этого атома,
-
заключается в том, что протоны обладают положительным электрическим зарядом,
-
а электроны обладают отрицательным.
-
Это одно из свойств этих фундаментальных частиц.
-
Когда вы начинаете задумываться о том, чем в принципе является заряд,
-
это оказывается достаточно глубоким вопросом.
-
Но что нам достоверно известно об электромагнитных взаимодействиях,
-
так это то, что противоположные заряды притягиваются друг к другу.
-
Так что лучше всего представить себе это так:
-
протоны и электроны притягиваются друг к другу потому, что имеют противоположные электрические заряды.
-
Нейтроны нейтральны, так что они просто находятся внутри ядра
-
и на некотором уровне влияют оттуда на свойства конкретных атомов и конкретных элементов.
-
Причина того, что электроны не разлетаются во все стороны, заключается в том, что они притягиваются.
-
Они притягиваются к ядру.
-
И ещё они обладают невероятной скоростью.
-
Это достаточно сложно... мы снова прикасаемся к очень странному разделу физики,
-
когда начинаем говорить о том, что же электрон на самом деле делает
-
но он обладает достаточно...
-
Я полагаю, вы могли бы сказать, что он так скачет вокруг ядра, что это не позволяет ему упасть на ядро.
-
Думаю, это один из способов взглянуть на этот вопрос.
-
Итак, я упомянул углерод-12, определенный числом протонов.
-
Кислород был бы определен по тому, что имеет 8 протонов.
-
Но снова, электроны могут взаимодействовать с другими электронами.
-
Они могут забираться другими атомами.
-
И в этом заключается большая часть нашего понимания химии.
-
Оно основано на том, как много электроном имеется у атома, у атома определенного элемента,
-
и как эти электроны распределены, как распределены электроны других элементов,
-
или, может быть, других атомов того же самого элемента?
-
Мы можем предсказывать, как атом одного элемента мог бы прореагировать с другим атомом того же элемента,
-
или как атом одного элемента реагировал бы,
-
как бы он образовывал связи с, как бы притягивался к или отталкивал бы другой атом другого элемента.
-
К примеру, - я расскажу много всего об этом в будущем, - это:
-
атом другого элемента может забрать себе принадлежащий углероду электрон,
-
в силу некоторых причин.
-
Позже мы поговорим о том, что конкретные нейтральные атомы конкретных элементов
-
обладают более сильной способностью притягивать электроны, чем другие.
-
И один из таких атомов мог бы "украсть" электрон у углерода,
-
и тогда углерод имел бы меньше электронов, чем он имеет протонов,
-
пять электронов против шести протонов.
-
Такой углерод обладал бы положительным зарядом.
-
Углерод-12, который я нарисовал в начале, имел по 6 протонов и нейтронов,
-
и они нейтрализовали заряды друг друга.
-
Если бы я потерял электрон, то у меня бы осталось 5 электронов,
-
и тогда я имел бы положительный заряд.
-
И мы ещё много раз поговорим об этом за время нашего курса,
-
но, надеюсь, вы чувствуете, насколько всё это становится круто.
-
Мы уже можем добраться до этого фундаментального "кирпичика", называемого атомом.
-
А ещё круче то, что эти фундаментальные "кирпичики" сами построены
-
из ещё более фундаментальных "кирпичиков"!
-
И все эти вещи могут меняться, изменяя свойства атома, или даже переходить от атома одного элемента к атому другого.
