Mi, emberek évezredek óta tudjuk,
hogy akár a saját környezetünkben is
sokféle anyag létezik.
A különféle anyagoknak pedig
többnyire eltérőek a tulajdonságaik.
Nem csak a tulajdonságaik különböznek,
például az egyik visszaveri a fényt, a másik nem,
Vagy különböző a színük,
vagy egy adott hőmérsékleten lehetnek
folyadékok, gázok vagy szilárd anyagok.
De azt is megfigyelhetjük,
hogy adott körülmények között miképpen reagálnak egymással.
Íme néhány anyag képe.
Ez itt szén, grafit alakjában,
ez itt ólom, ez pedig az arany.
Az összes itt bemutatott anyag képe
erről a weboldalról származik.
Ezek mind szilárd halmazállapotúak,
de tudjuk,
hogy vannak légnemű anyagok is,
gáz állapotú részecskék.
A gáz állapotú anyagok részecskéinek
– legyen ez akár szén, oxigén, vagy nitrogén –,
szintén különböznek a tulajdonságaik.
Más anyagok folyékonyak,
akár ezek is, ha elég magas a hőmérsékletük.
Kellően magas hőmérsékleten
az arany és az ólom is cseppfolyósítható.
Vagy ha elégeted ezt a széndarabot,
gáz halmazállapotúvá teheted,
és kiengedheted a légkörbe.
Megbonthatod a szerkezetét.
Mindezt az emberiség évezredek óta megfigyelte.
Ebből viszont magától ered egy kérdés,
amely régebben filozófiai kérdés volt,
de ma már kicsit jobban meg tudjuk magyarázni.
A kérdés: ha tovább bontjuk ezt a széndarabot,
egyre kisebb részekre,
létezik-e legkisebb rész?
Van-e olyan legkisebb egysége ennek az anyagnak,
ami még mindig rendelkezik a szén tulajdonságaival?
És ha azt még tovább tudnád bontani,
akkor vajon elveszítené-e szén jellegét?
A válasz az, hogy van.
Ismerjük meg a szakkifejezést:
ezeket a különféle tiszta anyagokat,
amik jellemző tulajdonságokkal bírnak adott hőmérsékleten,
és jellegzetes módon reagálnak,
elemeknek hívjuk.
A szén, az ólom, és az arany is elem.
Mondhatnád, hogy a víz is elem.
Régebben a vizet is elemnek tekintették,
de ma már tudjuk, hogy a víz több alapelemből épül fel:
oxigénből és hidrogénből.
Az elemek mind megtalálhatók
az elemek periódusos rendszerében.
A C a szén jele.
Csak azokat említem,
amelyek fontosak az emberiség számára,
de idővel talán majd mindet megismered.
Ez az oxigén. Ez a nitrogén. Ez a szilícium.
Ez az Au, az arany. Ez az ólom.
Az elemek legalapvetőbb építőeleme az atom.
Egyre mélyebbre hatolva,
egyre kisebb darabokat vizsgálva,
eljuthatunk egyetlen szénatomig.
Ugyanezt megtehetjük ezzel is,
és eljutunk az aranyatomig.
Ebben az esetben ugyanígy eljutsz
olyan apró – jobb szó híján – részecskéig,
amit ólomatomnak hívunk.
Ez már nem bontható tovább úgy,
hogy továbbra is ólomnak nevezhessük,
hogy megőrizze az ólomra jellemző tulajdonságait.
Csak hogy el tudd képzelni,
- én elég nehezen tudom elképzelni -
az atomok hihetetlenül aprók.
Tényleg hihetetlenül kicsik.
Például ott van a szén.
A hajam is szénből épül fel,
sőt magam is nagyrészt szénből állok.
Valójában minden élőlény nagyrészt szénből áll.
Ha a hajamat nézzük, az is szén.
A hajam jórészt szén.
Tehát ha a hajamat nézzük,
ami egyébként nem sárga,
de jól elüt a feketétől.
A hajam fekete, de ha úgy mutatnám,
akkor nem látszana a képernyőn.
A hajam kapcsán megkérdezhetnélek,
hogy hány szénatomnyi egy hajszálam szélessége.
A hajam keresztmetszetét vizsgálva,
tehát nem a hosszát, hanem a szélességét nézve
hány szénatom a szélessége?
Tippelhetnél: Sal már említette, hogy nagyon kicsi,
tehát lehet akár ezer szénatom is itt,
vagy tízezer, vagy százezer.
És erre én azt mondanám: nem!
Egymillió szénatom van itt.
Felfűzhetnél egymillió szénatomot
az emberi haj átlagos szélességén.
Ez persze csak egy becslés,
nem pontosan egymillió,
de ez érzékelteti, hogy milyen kicsi egy atom.
Csak húzz ki egy szálat a hajadból,
és képzeld el, hogy milliónyi dolgot
egymás mellé tehetsz a hajon keresztbe,
nem hosszába, hanem a keresztbe.
Még a haj szélességét is alig látjuk,
és egy milliónyi szénatom volna tehát
keresztbe a hajon.
Már önmagában is nagyon érdekes,
amit már tudunk,
hogy létezik ez az alapvető építőelem, a szén,
ami az elemek közül ez a legalapvetőbb építőelem.
Ami még ennél is szebb,
az az, hogy ezek az építőelemek egymáshoz kapcsolódhatnak.
A szénatom még kisebb részecskékből áll.
Az aranyatom még kisebb részecskékből áll.
És ezeknek az alapvető, elemi részecskéknek
az elrendeződése szabja meg az elemet.
Ha megváltoztatnád
az elemi részecskék számát,
megváltoztatnád az adott elem tulajdonságait,
azt, hogy hogyan reagál,
vagy magát az elemet is meg tudnád változtatni.
Csak hogy egy kicsit jobban megértsd,
beszéljünk egy kicsit az elemi részecskékről.
Tehát létezik a proton.
A proton határozza meg,
- azaz az atommagban lévő protonok száma,
és mindjárt az atommagról is beszélek, -
ez határozza meg az elemet.
Ez határozza meg az elemet.
Ha ránézel a periódusos rendszerre,
a rendszám alapján van sorba rendezve.
A rendszám pedig valójában
az adott elem protonjainak száma.
Így definíció szerint a hidrogénnek 1 protonja van.
A héliumnak 2 protonja van. A szénnek 6 protonja van.
Nem létezik szén 7 protonnal.
Ha lenne, az már nitrogén lenne.
Nem lenne többé szén.
Az oxigénnek 8 protonja van.
Ha valahogy hozzá tudnál adni még egy protont,
akkor többé már nem oxigén lenne.
Fluor lenne. Tehát ez határozza meg az elemet.
Ez határozza meg az elemet.
A rendszám, a protonok száma.
A protonok száma, ne feledd,
az a szám, amit a jobb felső sarokba írnak
minden egyes elemnél a periódusos rendszerben.
A protonok száma
megegyezik a rendszámmal.
Megegyezik a rendszámmal.
Ide felülre írják, mivel
ez az elem meghatározó jellemzője.
A másik két alkotója az atomnak
– azt hiszem hívhatjuk így őket –
az elektron és a neutron.
A modell, amit gondolatban elkezdhetsz felépíteni,
a modell, a kémia tanulmányaink előrehaladtával
egy kicsit elvontabb lesz,
így egyre nehezebben megfogalmazható.
De elképzelheted például úgy, hogy
a protonok és neutronok
vannak az atom központjában.
Ez az atommag.
Például a szénről tudjuk, hogy 6 protonja van.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
A szén-12 a szén egy változata,
aminek 6 neutronja is van.
Lehetnek különböző változatai a szénnek,
különböző neutronszámokkal.
Tehát a neutronszám változhat, az elektronszám változhat,
de továbbra is ugyanaz az elem marad.
A protonok száma nem változhat.
Ha megváltoztatod a protonok számát, megváltozik az elem.
Hadd rajzoljak egy szén-12 atommagot.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
Ez itt tehát a szén-12 atommagja.
Előfordulhat, hogy így írják.
Előfordulhat, az is, hogy a
protonok számát is felírják.
Az oka annak, hogy miért írunk szén-12-t,
- leszámoltam 6 neutront -
az, hogy ez az összege,
láthattad, hogy ez lesz az összege...
- az egyik megközelítés szerint,
amin a továbbiakban még finomítani fogunk –
tehát ez az összege
az atommagban lévő protonok és neutronok számának.
Definíció szerint a szén rendszáma 6.
Ezt fel is írhatjuk ide,
csak hogy emlékezzünk rá.
Tehát a szénatom központjában van ez az atommag.
A szén-12-nek 6 protonja és 6 neutronja van.
Egy másik változata a szénnek a szén-14, aminek szintén
6 protonja, viszont 8 neutronja van.
Tehát a neutronok száma változhat,
de nézzük újra a szén-12-t.
Amennyiben a szén-12 semleges,
és mindjárt el is magyarázom, hogy ez mit jelent,
ha semleges, akkor elektronból is 6 van neki.
Hadd rajzoljam le a 6 elektront.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
Ez alapján elkezdhetünk gondolkodni azon,
hogy milyen kapcsolat áll fenn
az elektron és az atommag között.
Képzeld el, hogy az elektronok
mondhatni az atommag körül
mozognak, keringenek.
Az egyik modell alapján
elképzelhetjük, hogy az atommag körül keringenek,
de ez nem teljesen igaz.
Nem úgy keringenek, mint ahogy
az égitestek keringenek a Nap körül,
de ez jó kiindulási pontnak.
Egy másik elgondolás, hogy ugrálnak az atommag körül,
vagy az atommag körül nyüzsögnek.
És azért így magyarázzuk,
mert a valóságban nagyon furcsa dolgok történnek,
és a kvantumfizikát kellene segítségül hívnunk ahhoz,
hogy tényleg megértsük mit is csinálnak az elektronok.
De abban a modellben, amit érdemes először elképzelned,
az atom közepén, a szén-12 atomban
van ez az atommag.
Ez az atommag van jelen,
és ezek az elektronok ugrálnak körülötte.
Az ok, amiért ezt teszik az elektronok,
és nem csak elrepülnek,
amiért valahogy kötődnek ehhez az atommaghoz,
és részét képezik az atomnak,
az az, hogy a protonnak pozitív a töltése,
az elektron töltése pedig negatív.
Ez az egyik jellemzője ezeknek az elemi részecskéknek.
Amikor azon kezdesz el gondolkodni,
hogy a töltés mitől több, mint egy jel,
mélyebbre kell, hogy menjünik.
Azt az egyet viszont tudjuk,
hogy amikor elektromágneses erőről beszélünk,
az azt jelenti, hogy az ellentétes töltések vonzzák egymást.
Így a leghelyesebb elgondolás a következő:
a protonok és elektronok,
mivel ellentétes töltésűek,
vonzzák egymást.
A neutronok semlegesek,
tehát csak ott ülnek az atommagban,
és valamilyen szinten ezek is befolyásolják a jellemzőket
egyes elemek egyes atomjai esetén.
Az ok azonban, amiért az elektronok
nem repülnek el csak úgy,
az az, hogy vonzás hat rájuk.
Vonzza őket az atommag.
A sebességük is elképzelhetetlenül nagy.
Nehéz elképzelni.
Megint a fizika egy nagyon furcsa részét érintjük,
amint arról kezdünk beszélni,
hogy mit is csinál az elektron.
Mondhatnád úgy is,
hogy körös-körül ugrál,
nem akar csak úgy belezuhanni az atommagba.
Tehát így is el lehet képzelni.
Említettem tehát, hogy ezt a szén-12-t
a protonok száma határozza meg.
Az oxigént a 8 proton határozza meg.
De még egyszer, az elektronok kölcsönhatásba léphetnek más elektronokkal.
Másik atom elveheti őket.
És erre az alapra épül
sok mindennek a megértése a kémiában.
Azon alapszik, hogy hány elektronja van az atomnak,
vagy az adott elemnek,
és ezek az elektronok hogyan helyezkednek el,
és más elemek elektronjai hogyan helyezkednek el,
vagy esetleg ugyanazon elem más atomja hogy helyezkednek el.
Előrejelezhetjük, hogy egy elem atomja
hogyan fog reagálni ugyanazon elem egy másik atomjával,
vagy egy elem atomja hogyan reagál,
hogyan kötődik, vagy nem is kötődik, hanem vonzza,
vagy taszítja egy másik elem atomját.
Így például
– erről majd később sokkal többet fogunk tanulni –
más atomok képesek arra, bizonyos esetekben,
hogy elektront szívjanak el a széntől,
csak azért, mert valamilyen oknál fogva
bizonyos elemek, bizonyos semleges atomjainak
nagyobb az elektronaffinitása, mint másoké.
Lehetséges, hogy ezek közül egy
elszív egy elektront a széntől,
és így a szénnek
kevesebb elektronja lesz, mint protonja.
Így 5 elektronja lesz és 6 protonja.
Összesítve pozitív töltés fog kialakulni.
Ebben a szén-12-ben, az első változatban, amiről beszéltem,
volt 6 proton, 6 elektron, a töltések kiegyenlítették egymást.
Ha elveszít egy elektront, akkor csak 5 marad belőle,
és így összesítve egy pozitív töltése lesz.
Erről jóval többet fogunk még beszélni,
a kémia videók során,
de remélhetőleg már most elismered,
hogy ez mennyire izgalmas téma.
Eljutottunk az alapvető építőegységekig,
amelyeket atomnak nevezünk.
Ami még ennél is jobb,
hogy ezek az alapvető építőegységek
még alapvetőbb építőegységekből épülnek fel.
Ezek az egységek cserélődhetnek,
és megváltoztathatják az atomok jellemzőit,
vagy akár átjuthatnak az adott elem egy atomjáról
egy másik elem atomjára is.