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 szénatomnyi a szélessége?
Így okoskodhatnál: Sal már említette, hogy az atomok nagyon kicsik,
tehát ez lehet akár ezer szénatom,
vagy tízezer, sőt százezer.
Én erre azt mondanám: nem!
Ez itt egymillió szénatom.
Egymillió szénatom fűzhető fel
egy átlagos emberi hajszál szélességére.
Ez persze csak becslés,
nem pontosan egymillió,
de érzékelteti, hogy milyen kicsi egy atom.
Csak húzz ki egy szálat a hajadból,
és képzeld el, hogy egymillió atomot teszel
egymás mellé a hajszálon keresztbe,
nem hosszában, hanem széltében.
Még a haj szélességét is alig látjuk,
és ekkora helyen fér el egymillió szénatom.
Már önmagában az is nagyon érdekes,
amit már tudunk,
hogy egyáltalán létezik ilyen alapvető építőeleme a szénnek,
illetve bármelyik elemnek.
De még ennél is érdekesebb
ezeknek az építőelemeknek az egymáshoz való viszonya.
A szénatom még kisebb elemi részecskékből áll.
Az aranyatom még kisebb elemi részecskékből áll.
A tulajdonságaikat
ezeknek az elemi részecskéknek az elrendeződése szabja meg.
Ha megváltoztatnád
a benne lévő elemi részecskék számát,
megváltoztathatnád az adott elem tulajdonságait,
azt, hogy hogyan reagál,
sőt akár magát az elemet is meg tudnád változtatni.
Csak hogy egy kicsit érthetőbb legyen,
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 –,
az, ami meghatározza az elemet.
Ez határozza meg az elemet.
A periódusos rendszerre nézve látszik,
hogy az elemek a rendszám alapján vannak sorba rendezve.
A rendszám pedig valójában
az adott elem protonjainak száma.
Így definíció szerint a hidrogénnek 1 protonja van.
A héliumnak 2 protonja, 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, hanem fluor.
Tehát ez határozza meg az elemet.
Ez határozza meg az elemet.
A rendszám, a protonok száma,
emlélkezz rá, ez a szám látható itt felül,
minden elem vegyjele fölött a periódusos rendszerben.
A protonok száma egyenlő a rendszámmal.
Ide felülre írják, mivel
ez az elemek egyik meghatározó jellemzője.
Az atom másik két alkotója
– így is hívhatjuk őket –,
az elektron és a neutron.
Gondolatban elkezdhetsz építeni egy modellt,
amely a kémiai tanulmányokban előrehaladva
egy kissé elvontabb lesz,
és egyre nehezebben megfogalmazható,
de úgy elképzelhetjük például úgy,
hogy a protonok és neutronok
vannak az atom központjában.
Ők alkotják az atommagot.
Például a szénről tudjuk, hogy 6 protonja van.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
A szén-12-ben, amely a szén egyik változata,
6 neutron is van.
A szénnek különböző változatai lehetnek,
amelyekben a neutronok száma különböző.
Tehát a neutronszám változhat, az elektronszám változhat,
de az elem továbbra is ugyanaz marad.
A protonok száma nem változhat.
Ha megváltoztatod a protonok számát, akkor egy másik elem jön létre.
Hadd rajzoljak egy szén-12 atommagot.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
Ez itt tehát a szén-12 atommagja.
Néha így írják,
néha pedig úgy,
hogy protonok számát is feltüntetik.
Azért nevezzük szén-12-nek,
– 6 neutronnal számoltam –,
mert ez az összege...
úgy vehetjük, hogy ez az összege...
– az egyik megközelítésben, amin később még finomítunk –,
ez az összege a protonok és neutronok számának
az atommagban.
Definíció szerint a szén rendszáma 6.
Fel is írhatjuk ide,
csak hogy emlékezzünk rá.
Tehát a szénatom központjában van az atommag.
A szén-12-nek 6 protonja és 6 neutronja van.
A szén egy másik változata a szén-14,
amelynek szintén 6 protonja van,
viszont a neutronszáma 8.
Tehát a neutronok száma változhat.
Ez itt viszont a szén-12.
Amennyiben a szén-12 semleges,
és mindjárt el is magyarázom, hogy ez mit jelent,
ha semleges, akkor elektronokból is 6-ot tartalmaz.
Hadd rajzoljam le ezt a 6 elektront.
Egy, kettő, három, négy, öt, hat.
Az egyik, talán a legegyszerűbb elképzelés
az elektronok és az atommag kapcsolatáról
az, hogy az elektronok keringenek
az atommag körül.
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.