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.