Στοιχεία και άτομα

Εμείς οι άνθρωποι γνωρίζουμε εδώ και χιλιάδες χρόνια, απλά παρατηρώντας το περιβάλλον γύρω μας, πως υπάρχουν διαφορετικές ουσίες. Αυτές οι διαφορετικές ουσίες...έχουν την τάση να έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Όχι μόνο έχουν διαφορετικές ιδιότητες, κάποια μπορεί να αντανακλά το φως με κάποιο τρόπο ή να μην αντανακλά το φως. Ή να έχει ένα συγκεκριμένο χρώμα, ή μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, ή σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία να είναι υγρό, ή αέριο,ή να είναι στερεό. Αλλά αρχίζουμε επίσης να παρατηρούμε πώς αντιδρούν μεταξύ τους σε διάφορες περιστάσεις. Και ορίστε μερικές εικόνες από αυτές τις ουσίες. Αυτή εδώ είναι ο άνθρακας, ο οποίος εδώ βρίσκεται στη μορφή του γραφίτη Αυτή εδώ είναι μόλυβδος και εδώ είναι ο χρυσός. και όλες αυτές που σχεδίασα και έχω δείξει με εικόνες εδώ τις έχω πάρει όλες από αυτή την ιστοσελίδα εκεί πάνω. Όλες αυτές είναι σε στερεά μορφή, αλλά γνωρίζουμε επίσης... Μοιάζει λες και υπάρχει κάποιου είδους αέρας μέσα, κάποιου είδους αέρια σωματίδια και ανάλογα το είδος των αέριων σωματιδίων που μελετάμε, είτε είναι άνθρακας, οξυγόνο ή άζωτο, αυτό φαίνεται να έχει διαφορετικές ιδιότητες. Ή υπάρχουν άλλες ουσίες που μπορεί να είναι υγρές, Ή αν αυξήσεις αρκετά τη θερμοκρασία σε αυτές εδώ τις ουσίες, Αν αυξήσεις αρκετά τη θερμοκρασία στον χρυσό ή στο μόλυβδο, μπορείς να πάρεις υγρό (τήγμα). Ή αν σχεδόν -- αν κάψεις αυτό τον άνθρακα μπορείς να τον μετατρέψεις σε αέριο, να τον ελευθερώσεις στην ατμόσφαιρα, μπορείς να διασπάσεις τη δομή του. Έτσι αυτά είναι πράγματα τα όποια όλοι λίγο-πολύ --- η ανθρωπότητα δηλαδή, τα έχει παρατηρήσει εδώ και χιλιάδες χρόνια. Αλλά αυτό οδηγεί στο εύλογο ερώτημα που ήταν κάποτε φιλοσοφικό ερώτημα, αλλά τώρα μπορούμε να το απαντήσουμε λίγο καλύτερα και το ερώτημα αυτό είναι: αν συνεχίσεις να διασπάς τον άνθρακα σε όλο και μικρότερα κομμάτια, υπάρχει κάποιο μικροσκοπικό κομμάτι κάποιο ελάχιστο τμήμα αυτού του πράγματος, αυτής της ουσίας που να συνεχίζει να διατηρεί τις ιδιότητες του άνθρακα; Και αν μπορούσαμε να το διασπάσουμε ακόμα περισσότερο, θα χάναμε τις ιδιότητες του άνθρακα; Και η απάντηση είναι: ναι, υπάρχει. Και για να μιλήσουμε με την σωστή ορολογία, αυτές τις διαφορετικές ουσίες, αυτές τις αμιγείς ουσίες που έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και αντιδρούν με συγκεκριμένο τρόπο,. Τις ονομάζουμε "στοιχεία". Ο άνθρακας είναι ένα στοιχείο, ο μόλυβδος είναι ένα στοιχείο, ο χρυσός είναι ένα στοιχείο. Θα μπορούσατε να πείτε ότι το νερό είναι ένα στοιχείο Και κατά τη διάρκεια της ιστορίας οι άνθρωποι αναφέρονταν στο νερό ως στοιχείο, αλλά τώρα γνωρίζουμε ότι το νερό είναι φτιαγμένο από πιο βασικά στοιχεία. Είναι φτιαγμένο από οξυγόνο και υδρογόνο. Και όλα τα στοιχεία, όλα τα στοιχεία είναι τοποθετημένα εδώ,στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων. το C είναι ο άνθρακας -- αναφέρω αυτά που σχετίζονται περισσότερο με την ανθρωπότητα -- αλλά με τον χρόνο πιθανότατα θα εξοικειωθείτε με όλα αυτά μόνοι σας. Αυτό είναι το οξυγόνο, αυτό το άζωτο, αυτό το πυρίτιο. Αυτό είναι -- Au είναι ο χρυσός. Αυτός είναι ο μόλυβδος. Και η πιο βασική μονάδα από κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία είναι το άτομο. Έτσι αν προσπαθούσαμε να κόψουμε όλο και μικρότερα κομμάτια από αυτό, τελικά θα καταλήγαμε στο άτομο του άνθρακα. Κάνοντας το ίδιο εδώ, τελικά θα φτάναμε στο άτομο του χρυσού. Κάνοντας το ίδιο εδώ, τελικά θα είχαμε κάποιο μικροσκοπικό -- ελλείψει καλύτερης λέξης -- σωματίδιο, το οποίο θα αποκαλούσαμε το άτομο του μολύβδου. Και δεν θα μπορούσαμε να το σπάσουμε σε μικρότερα κομμάτια και να το ονομάζουμε ακόμα μόλυβδο. καθώς (αυτό το σωματίδιο) συνεχίζει να έχει τις ιδιότητες του μολύβδου. Και για να σας δώσω μια ιδέα -- αυτό είναι κάτι που πραγματικά δυσκολεύομαι να φανταστώ -- είναι ότι τα άτομα είναι απίστευτα μικρά. Πραγματικά, αφάνταστα μικρά. Δηλαδή, για παράδειγμα, ο άνθρακας. Τα μαλλιά μου είναι επίσης φτιαγμένα από άνθρακα. Στην πραγματικότητα, ο περισσότερος είμαι φτιαγμένος από άνθρακα. Στην πραγματικότητα, τα περισσότερα από τα ζωντανά πλάσματα είναι φτιαγμένα από άνθρακα. Έτσι, αν παίρνατε τα μαλλιά μου, και τα μαλλιά μου είναι άνθρακας. Τα μαλλιά μου είναι κυρίως άνθρακας. Έτσι λοιπόν, αν παίρνατε τα μαλλιά μου εδώ, --δεν είναι κίτρινα αλλά κάνουν ωραία αντίθεση στο μαύρο. Οι τρίχες μου είναι μαύρες αλλά αν το έκανα αυτό δεν θα μπορούσατε να τις δείτε στην οθόνη. Αλλά αν έβαζα μια τρίχα εδώ και σας ρωτούσα πόσο πάχος έχει η τρίχα μου σε άτομα άνθρακα; Έτσι αν κάναμε μια τομή στην τρίχα, όχι κατά μήκος, κατά πλάτος της τρίχας, και λέγαμε: πόσα άτομα άνθρακα ορίζουν αυτό το πλάτος; Και θα μπορούσατε να μαντέψετε, α, ο Sal ήδη μου είπε ότι είναι πολύ μικρό, άρα ίσως υπάρχουν χίλια άτομα άνθρακα εκεί, ή δεκάδες χιλιάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες, και θα έλεγα, όχι! Υπάρχουν ένα εκατομμύριο άτομα άνθρακα. Ή θα μπορούσες να βάλεις στη σειρά ένα εκατομμύριο άτομα άνθρακα στο πλάτος μιας κοινής ανθρώπινης τρίχας. Και προφανώς αυτή είναι μία προσέγγιση, δεν είναι ακριβώς ένα εκατομμύριο, αλλά σας δίνει την αίσθηση του πόσο μικρό είναι ένα άτομο. Ξέρετε, ξεριζώστε μια τρίχα από το κεφάλι σας και φανταστείτε μόνο να βάζετε ένα εκατομμύριο πράγματα το ένα δίπλα στο άλλο κατά πλάτος της τρίχας, όχι κατά μήκος της τρίχας αλλά κατά πλάτος της τρίχας. Είναι δύσκολο ακόμα και να δεις το πλάτος της τρίχας. Και θα υπάρχουν ένα εκατομμύριο άτομα άνθρακα μόνο στο πλάτος της. Τώρα θα ήταν αρκετά ωραίο από μόνο του, -- γνωρίζουμε ότι υπάρχει αυτό το πιο βασικό δομικό στοιχείο άνθρακα, αυτό το πιο βασικό δομικό στοιχείο κάθε στοιχείου. Αλλά αυτό που είναι ακόμη καλύτερο είναι πως αυτά τα βασικά δομικά στοιχεία σχετίζονται μεταξύ τους. Ένα άτομο άνθρακα αποτελείται από ακόμη πιο θεμελιώδη σωματίδια. Ένα χρυσό άτομο αποτελείται από ακόμη πιο θεμελιώδη σωματίδια. Και, για την ακριβεία, καθορίζονται από την διευθέτηση αυτών των θεμελιωδών σωματιδίων . Και αν επιχειρούσατε να αλλάξετε τον αριθμό των θεμελιωδών σωματιδίων που έχετε, θα μπορούσατε να αλλάξετε τις ιδιότητες του στοιχείου αυτού, τον τρόπο που θα αντιδρά, ή θα μπορούσατε να αλλάξετε ακόμα και το ίδιο το στοιχείο. Και απλά για να το καταλάβουμε λίγο καλύτερα, ας μιλήσουμε για εκείνα τα θεμελιώδη στοιχεία. Έτσι λοιπόν, έχετε το πρωτόνιο. Και το πρωτόνιο είναι στην πραγματικότητα το καθοριστικό -- ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου και θα αναφερθώ στον πυρήνα πολύ σύντομα -- δηλαδή αυτό είναι που ορίζει το στοιχείο. Πρόκειται λοιπόν για αυτό που καθορίζει ένα στοιχείο. Όταν δείτε το περιοδικό πίνακα εδώ, είναι στην πραγματικότητα γραμμένος κατά σειρά ατομικού αριθμού, και ο ατομικός αριθμός είναι ουσιαστικά ο αριθμός των πρωτονίων στο στοιχείο. Επομένως, εξ ορισμού, το υδρογόνο έχει 1 πρωτόνιο. Το Ήλιο έχει 2 πρωτόνια. Ο άνθρακας έχει 6 πρωτόνια. Δεν μπορείτε να έχετε άνθρακα με 7 πρωτόνια. Αν το κάνατε, θα ήταν άζωτο, δεν θα ήταν πλέον άνθρακας. Το Οξυγόνο έχει 8 πρωτόνια. Εάν, με κάποιο τρόπο, έπρεπε να προσθέσετε ένα ακόμη πρωτόνιο αυτό δεν θα ήταν πλέον οξυγόνο, θα ήταν φθόριο. Συνεπώς, ορίζει το στοιχείο. Καθορίζει το στοιχείο. Και ο ατομικός αριθμός, ο αριθμός των πρωτονίων, ο αριθμός των πρωτονίων -- Και θυμηθείτε, ότι είναι ο αριθμός που είναι γραμμένος ακριβώς εδώ στην κορυφή για καθένα από τα στοιχεία αυτά στον Περιοδικό Πίνακα -- ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό. Είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό. Και βάζουν αυτόν τον αριθμό εδώ, διότι αυτό είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός στοιχείου. Τα άλλα δύο συστατικά του ενός ατόμου-- -- Υποθέτω πως θα μπορούσαμε να τα ονομάσουμε με αυτόν τον τρόπο-- είναι το ηλεκτρόνιο και το νετρόνιο. Και το μοντέλο που μπορείτε να αρχίσετε να δημιουργείτε μέσα στο κεφάλι σας -- και αυτό το μοντέλο, καθώς θα προχωρούμε στη χημεία, θα δείτε, θα γίνει λίγο πιο αφηρημένο και πραγματικά δύσκολο να το συλλάβετε -- αλλά ένας τρόπος να το σκεφτείτε είναι ότι έχετε τα πρωτόνια και τα νετρόνια που είναι το κέντρο του ατόμου. Αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου. Έτσι για παράδειγμα, ο άνθρακας, γνωρίζουμε, ότι έχει 6 πρωτόνια. Έτσι, ένα, δύο, τρία, τέσσερα, πέντε, έξι. Ο άνθρακας 12, ο οποίος είναι μια εκδοχή του άνθρακα, θα έχει επίσης 6 νετρόνια. Μπορείτε να έχετε εκδοχές του άνθρακα που έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Έτσι τα νετρόνια μπορεί να αλλάξουν , τα ηλεκτρόνια μπορεί να αλλάξουν και μπορείτε ακόμη να έχετε το ίδιο στοιχείο. Τα πρωτόνια ΔΕΝ μπορεί να αλλάξουν. Αν αλλάξετε τα πρωτόνια, έχετε ένα διαφορετικό στοιχείο. Οπότε, ας σχεδιάσω έναν πυρήνα του άνθρακα 12. Έτσι, ένα, δύο, τρία, τέσσερα, πέντε, έξι. Και αυτός εδώ είναι ο πυρήνας του άνθρακα 12. Και μερικές φορές θα γράφεται έτσι. Και μερικές φορές θα αναγράφεται και ο αριθμός των πρωτονίων. Και ο λόγος για τον οποίο εμείς γράψαμε άνθρακας 12 -- γνωρίζετε ότι μέτρησα έξι νετρόνια -- είναι ότι αυτό είναι το σύνολο, θα μπορούσε να θεωρήσετε αυτό σαν το σύνολο των -- ένας τρόπος να το σκεφτείτε, και θα πάρουμε μια ιδέα στο μέλλον -- ότι πρόκειται για το συνολικό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων μέσα στον πυρήνα. Και αυτός ο άνθρακας εξ ορισμού έχει ατομικό αριθμό 6, αλλά μπορούμε να το ξαναγράψουμε εδώ μόνο για να το υπενθυμίζουμε στους εαυτούς μας. Έτσι, στο κέντρο του ατόμου του άνθρακα έχουμε αυτόν τον πυρήνα. Και ο άνθρακας 12 θα έχει 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια. Μια άλλη εκδοχή του άνθρακα, ο άνθρακας 14, θα εξακολουθεί να έχει 6 πρωτόνια, αλλά θα έχει 8 νετρόνια. Έτσι ο αριθμός των νετρονίων μπορεί να αλλάξει , αλλά αυτό εδώ είναι ο άνθρακας 12. Και αν ο άνθρακας 12 είναι ουδέτερος --και θα σας δώσω μια ιδέα σχετικά με αυτή τη λέξη πολύ σύντομα-- εάν είναι ουδέτερος, τότε θα έχει 6 ηλεκτρόνια. Ας σχεδιάσω λοιπόν αυτά τα 6 ηλεκτρόνια. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Και ένας τρόπος -- και αυτός είναι ίσως ο πρώτος κατα σειρά τρόπος να σκεφτούμε τη σχέση μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πυρήνα -- είναι πως μπορείτε να φανταστείτε τα ηλεκτρόνια κάπως σαν να κινούνται γύρω από, σαν να στριφογυρίζουν γύρω από τον πυρήνα. Ένα μοντέλο είναι πως θα μπορούσατε να τα σκεφτείτε σαν να κινούνται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα, αλλά αυτό δεν είναι αρκετά σωστό. Δεν κινούνται σε τροχιά όπως ένας πλανήτης, ας πούμε, κινείται γύρω από τον ήλιο. Αλλά αυτό είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης. Ένας άλλος τρόπος είναι σαν να χοροπηδάνε γύρω από τον πυρήνα ή σαν να στριφογυρίζουν γύρω από τον πυρήνα. Και αυτό μόνο και μόνο επειδή η πραγματικότητα γίνεται πολύ παράξενη σε αυτό το επίπεδο, και βασικά θα χρειαστεί να φτάσουμε στην κβαντική φυσική για να καταλάβουμε τι ουσιαστικά κάνει το ηλεκτρόνιο. Αλλά ένα πρώτο διανοητικό μοντέλο στο κεφάλι σας, είναι πως στο κέντρο αυτού του ατόμου, του ατόμου του άνθρακα 12, έχετε αυτόν τον πυρήνα. Έχετε αυτόν τον πυρήνα εκεί. Και αυτά τα ηλεκτρόνια χοροπηδάνε γύρω από αυτόν τον πυρήνα. Και ο λόγος που αυτά τα ηλεκτρόνια δεν φεύγουν μακριά από αυτόν τον πυρήνα γιατί είναι δεσμευμένα σε αυτόν τον πυρήνα, και αποτελούν μέρος αυτού του ατόμου, είναι επειδή τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο, και τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο. Και είναι μία από αυτές τις ιδιότητες των θεμελιωδών αυτών σωματιδίων. Όταν αρχίζουμε να σκεφτόμαστε τι ουσιαστικά είναι ένα φορτίο πέρα από μια ετικέτα, και αρχίζουμε κάπως να εμβαθύνουμε. Αλλά το ένα πράγμα που γνωρίζουμε, όταν μιλάμε για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, είναι πως τα αντίθετα φορτία έλκονται μεταξύ τους. Συνεπώς, ο καλύτερος τρόπος για να το σκεφτείτε είναι ο εξής: Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, επειδή έχουν διαφορετικά φορτία, έλκουν το ένα το άλλο. Τα νετρόνια είναι ουδέτερα, οπότε στην ουσία απλά βρίσκονται στο εσωτερικό του πυρήνα, και επηρεάζουν τις ιδιότητες, ως ένα σημείο, κάποιων ατόμων συγκεκριμένων στοιχείων. Αλλά ο λόγος που έχουμε τα ηλεκτρόνια όχι μόνο να διαφεύγουν από μόνα τους είναι επειδή έλκονται. Έλκονται με κατεύθυνση τον πυρήνα. Και έχουν επίσης μια απίστευτα υψηλή ταχύτητα -- είναι βασικά δύσκολο να -- αρχίζουμε να θίγουμε για άλλη μια φορά ένα πολύ παράξενο τμήμα της φυσικής όταν αρχίζουμε να συζητάμε για το τι κάνει ουσιαστικά κάνει ένα ηλεκτρόνιο. -- αλλά έχει αρκετή -- Υποθέτω θα μπορούσαμε να πούμε πως χοροπηδάει αρκετά πως δεν επιθυμεί να πέσει μέσα στον πυρήνα, Υποθέτω ότι αυτός είναι ένας τρόπος να το σκεφτούμε. Και έτσι, ανέφερα τον άνθρακα 12 εδώ πέρα ο οποίος καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων. Το οξυγόνο θα καθορίζεται έχοντας 8 πρωτόνια. Όμως, για άλλη μια φορά, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλα ηλεκτρόνια. Μπορούν να απομακρυνθούν από άλλα άτομα. Και αυτό στην ουσία αποτελεί ένα μεγάλο μέρος της κατανόησής μας σχετικά με τη χημεία Βασίζεται σε πόσα ηλεκτρόνια ένα άτομο έχει, ή ένα ορισμένο στοιχείο έχει . Και πως αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν διαταχτεί, και τα ηλεκτρόνια άλλων στοιχείων έχουν διαταχτεί, ή ίσως άλλα άτομα του ίδιου αυτού στοιχείου. Μπορούμε να αρχίσουμε να προβλέπουμε πως ένα άτομο ενός στοιχείου μπορεί να αντιδράσει με ένα άλλο άτομο του ίδιου στοιχείου, ή ένα άτομο ενός στοιχείου -- πώς αυτό θα μπορούσε να αντιδρά, ή πώς θα μπορούσε να δεσμευτεί, ή να μην δεσμευτεί, ή να προσελκύσει, ή να απωθήσει ένα άλλο άτομο ενός άλλου στοιχείου. Έτσι, για παράδειγμα, και θα μάθουμε ακόμα περισσότερα για αυτό στο μέλλον είναι δυνατό για ένα άλλο άτομο να αρπάξει ένα ηλεκτρόνιο από έναν άνθρακα, μόνο και μόνο επειδή, για οποιοδήποτε λόγο -- και θα αναφερθούμε σε ορισμένα ουδέτερα άτομα ορισμένων στοιχείων -- έχουν μεγαλύτερη τάση να έλκουν ηλεκτρόνια από άλλα. Έτσι, ένα, ίσως κάποιο από αυτά, αρπάζει ένα ηλεκτρόνιο από έναν άνθρακα, και τότε αυτός ο άνθρακας θα έχει λιγότερα ηλεκτρόνια απ' ότι πρωτόνια, οπότε θα έχουμε 5 ηλεκτρόνια και 6 πρωτόνια. Και τότε το καθαρό φορτίο θα είναι θετικό. Έτσι σε αυτόν τον άνθρακα 12, η πρώτη εκδοχή που έδωσα, Είχα 6 πρωτόνια, 6 ηλεκτρόνια, τα φορτία ακυρώνονται. Εάν χάσω ένα ηλεκτρόνιο, τότε έχω μόνο πέντε από αυτά, και οπότε θα έχω θετικό καθαρό φορτίο. Και πρόκειται να μιλήσουμε ακόμα περισσότερο για όλα αυτά σε όλη τη θεματική ενότητα της Χημείας αλλά ευελπιστώ πως έχετε μια εκτίμηση πως έχει ήδη αρχίσει να γίνεται πολύ ενδιαφέρον και όμορφο. Μπορούμε πλέον να αντιληφθούμε αυτό το θεμελιώδες δομικό στοιχείο που αποκαλείται "άτομο". Και αυτό που είναι ακόμα πιο τέλειο είναι πως αυτό το θεμελιώδες δομικό στοιχείο είναι φτιαγμένο από ακόμα πιο θεμελιώδη δομικά στοιχεία. Και όλα αυτά μπορούν να αναδιαταχθούν και να αλλάξουν τις ιδιότητες ενός ατόμου, ή να μεταφερθούν από το άτομο ενός στοιχείου στο άτομο ενός άλλου στοιχείου.