Атоми и елементи

Хората са знаели от хиляди години, просто като наблюдавали заобикалящата ги среда, че съществуват най-различни вещества с разнообразни свойства. Не само имат различни свойства, някои могат да отразяват светлината по определен начин, или да не отразяват светлината. Могат да са с определен цвят или при определена температура са течни, газообразни или твърди. В един момент започват да наблюдават как те реагират помежду си, поставени в определени условия. Тук се виждат снимки на някои от тези вещества. Това тук е въглерод под формата на графит. Това е олово, а това злато. Всички изображения, които ти показвам, съм ги свалил от ето този сайт. Всички показани вещества в твърдата си форма, но ние също знаем, че... Знаем, че съществуват газове, определен тип газообразни частички и в зависимост какъв вид газови частици търсим – дали ще е въглерод, кислород или азот, те имат различни свойства. Също така има вещества, които са в течно състояние, други се превръщат в течност, ако повишим температурата достатъчно. Ако повишим температурата на златото или оловото, те се втечняват. Друг пример е, ако запалим въглерода, той преминава в газообразно състояние и се освобождава в атмосферата, а структурата му се разрушава. Това са процеси, които всички ние, цялото човечество сме наблюдавали хиляди години. Това ни довежда до естествения въпрос, който в миналото е бил философски, и на когото в днешно време можем да отговорим, този въпрос е: Ако чупим на малки и все по-малки парченца този въглерод, има ли някаква най-малка част от това вещество, изключително малка частица от тази субстанция, която все още да притежава свойствата на въглерода? И ако има начин да продължим да разделяме до още по-малки частици, ще загубим ли свойствата на въглерода? Отговорът е: да. От терминологична гледна точка, елементи наричаме тези различни вещества, тези чисти субстанции, които имат специфични свойства при определена температура и реагират по определен начин. Наричаме ги елементи. Въглеродът е елемент, оловото е елемент, златото е елемент. Можеш да предположиш, че водата също е елемент, както хората са предполагали назад в историята, но сега знаем, че водата се състои от по-прости елементи. Това са кислород и водород. Всички известни нам елементи са включени в периодичната система. С значи въглерод, само давам пример с онези елементи, които са основни за човечеството, и в течение на времето най-вероятно ще се запознаеш с всички елементи. Това е кислород, това азот, а това силиций. Това Au е злато. Това е олово. Най-основната частица на всеки един от тези елементи е атомът. Да обобщим, ако раздробяваме на все по-малки парченца, накрая ще достигнем до въглеродния атом. Направи същото нещо и тук, и накрая ще достигнеш до златния атом. Ако направиш същото и тук, накрая ще получиш една от тези много малки частици, която ще наречеш оловен атом. След това не можеш да продължиш да раздробяваш, и полученото все още да бъде олово. Тогава вече свойствата на оловото няма да присъстват. И искам да те накарам да си представиш нещо, което на мен ми е трудно да си представя – колко невероятно малки са атомите. Наистина не можеш да си представиш колко са малки. Например въглеродът. Косата ми е направена от въглерод. Всъщност по-голямата част от тялото ми е направена от въглерод. Нещо повече – повечето живи същества са направени главно от въглерод. Например да вземем косата ми, тя е направена от въглерод. Основният елемент, от който се състои косата ми, е въглерод. Така че, ако вземем един мой косъм – косата ми не е руса, но този цвят контрастира с черния фон. Косата ми всъщност е черна, но няма да можеш да я виждаш на екрана. Ако наистина взема един косъм и те попитам: колко въглеродни атома е широк? И ако вземеш напречен разрез на този мой косъм, не по дължина, а напречно, и се запопиташ колко въглеродни атома е широчината на този косъм? Може да допуснеш, понеже е много тънък, че може би има хиляда въглеродни атома тук, или десет хиляди, или сто хиляди, а аз ще кажа, НЕ! Има един милион въглеродни атома. Можеш да преброиш един милион въглеродни атома по ширината на нормалния човешки косъм. Атомите не са точно един милион, това твърдение е очевидно приблизително, но това ти дава представа колко малки са атомите. Достатъчно е само да си отскубнеш един косъм от главата и да си представиш как слагаш едно до друго един милион малки неща, по широчината на косъма, не по дължината, а по широчината на косъма. Даже е трудно да видиш широчината на косъма. А има един милион въглеродни атома в този напречен разрез. Би било доста яко... вече знаем, че съществува това най-основно съставно блокче въглерод, това най-просто съставно блокче на всеки елемент. Онова, което е още по-изумително, е, че тези съставни блокчета са свързани помежду си. Въглеродният атом е съставен от още по-прости частици. Златният атом също е съставен от такива още по-прости фундаментални частици. Подредбата на тези частици определя атомите, а промяната в броя на фундаменталните частици може да промени свойствата на този елемент, как реагира спрямо условията, или дори да променим самия елемент. За да можем да разберем материята по-добре, нека да поговорим за тези фундаментални частици. И ето имаме протона. Всъщност протонът е определящ за.... броят на протоните в ядрото на атома – след малко ще говорим за ядрото на атома, това е нещото, което определя елемента. Определя всеки елемент. Когато разгледаме периодичната система ето тук, елементите са всъщност подредени по своето атомно число, а атомното число е буквално броят на протоните за всеки елемент. По определение, водородът има един протон. Хелият има два протона. Въглеродът има шест протона. Няма въглерод със седем протона, при такъв брой това вече е азот, това вече не е въглерод. Кислородът има осем протона. Ако някак пробавиш още един протон, вече няма да е кислород, а флуор. Това определя елементите. Броят на протоните определя елементите. И атомното число е броят на протоните, броят на протоните, запомни – това е числото, написано тук отгоре на всеки един от тези елементи в периодичната система, броят на протоните е равен на атомното число. Е равен на атомното число. И те слагат това число тук, защото то е определящата характеристика на елемента. Другите две съставни части на атома са електрон и неутрон. Можеш да започнеш да строиш модела в главата си, който в течение на изучаването на химия ще видиш, че ще става все по-абстрактен и ще ти е много трудно да си създаваш определения, но един начин да си го представиш, е мислено да сложиш протоните и неутроните в центъра на атома. Те представляват ядрото на атома. Например, знаем, че въглеродът има шест протона. Едно, две, три, четири, пет, шест. Въглерод 12, който е версия на въглерода, също има шест неутрона. Може да има разновидности на въглерода, които имат различен брой неутрони. И така, броят на неутроните може да се променя, броят на електроните може да се променя, и все още да имаме същия елемент. Но протоните не могат да се променят. Ако промениш протоните, получаваш различен елемент. Ще ти нарисувам ядрото на въглерод 12. Едно, две, три, четири, пет, шест. И ето това тук е ядрото на въглерод 12. И понякога той ще бъде записан така. А понякога ще е записан броят на протоните. Причината, поради която изписваме въглерод 12, знаеш, тук преброих шест неутрона, та причината е, че това е сборът – можеш да го разглеждаш като общия брой – един начин да го разглеждаш... в бъдеще ще видим повече нюанси... това е общият брой протони и неутрони в ядрото. Въглеродът по дефиниция има атомно число 6, но можем да го добавим тук, за да си напомняме за него. И така, в центъра на въглеродния атом имаме това ядро. И въглерод 12 има шест протона и шест неутрона. Друга разновидност на въглерода – въглерод 14, той пак има шест протона, но този път осем неутрона. Броят на неутроните може да се променя, но това тук е въглерод 12. И ако въглерод 12 е неутрален, ще ти дам повече подробности за това след малко, ако е неутрален, тогава ще има шест електрона. Ще нарисувам тези шест електрона. Едно, две, три, четири, пет, шест. Един начин, може би първият начин да си представим взаимовръзката между електроните и ядрото, е да си представим как електроните обикалят, движат се около това ядро. Друг модел е да си представим как орбитират около ядрото, но това не е точно така. Те не орбитират така, както планета орбитира около слънцето. Но това е добра стартова позиция. Още един начин е да си представим, че един вид подскачат около ядрото или бръмчат около него. Това е така, само защото реалността е много странна на това ниво на съществуване и всъщност ще трябва да се обърнем към квантовата физика, за да можем наистина да разберем какво точно прави електронът. Но първият модел, който да си представиш, е: в центъра на атома на този въглерод 12 имаме това ядро. Това е ядрото ето тук. А тези електрони подскачат около ядрото. Причината, поради която тези електрони не се отдалечават от това ядро, е че те са някак си привлечени от това ядро и формират част от този атом, чиито протони имат положителен заряд. Имат положителен заряд, а електроните имат отрицателен заряд. Едно от отличителните качества на тези фундаментални частици е, че когато започнеш да си мислиш какво всъщност е заряд, когато започнеш да се замисляш, някак навлизаш надълбоко. Но единственото, което знаем, когато говорим за електромагнитни сили е, че противоположните заряди се привличат. Най-добрият начин да си го представим, е че протоните и електроните имат различни заряди, затова се привличат. Неутроните са неутрални, затова те само си седят тук вътре в ядрото и имат влияние върху свойствата до известна степен за някои атоми на определени елементи. Но причината електроните да не отлетят е, защото те са привлечени. Те са привлечени от ядрото. Те също така имат невероятно висока скорост – всъщност е много... пак се докоснахме до една много странна част от физиката, щом стана въпрос за това какво точно прави електрона. Предполагам можем да кажем, че електронът подскача толкова интензивно, за да не падне върху ядрото, така можем да си представим това. И ето, споменах ти за въглерод 12, който се определя от броя на протоните. Кислородът се определя от своите осем протона. И още веднъж, електроните могат да си взаимодействат с други електрони. Те могат да бъдат отнети от други атоми. И този момент всъщност формира голяма част от разбирането ни за химичните процеси. Базира се на това колко електрони има един определен атом или елемент. И как тези електрони се конфигурират, как електроните на други елементи се конфигурират или може би други атоми на същия елемент. Можем да започнем да предвиждаме как атомът на един елемент може да реагира с друг атом на същия елемент. Или как атом на един елемент би реагирал, как би се свързал или не би се свързал, привлякъл или отблъснал един атом на друг елемент. Например (за това ще учим много в бъдеще), възможно е един атом да изблъска електрон от въглерода, поради някаква причина и ще говорим за това, че определени неутрални атоми на определени елементи имат по-голям афинитет от други. Например, ако един от тези атоми привлече един електрон от въглерода, тогава този въглероден атом ще има по-малко електрони, отколкото протони, и тогава ще имаме пет електрона и шест протона. Това създава положителен заряд. И така в този въглерод 12, първата версия, която направих, имах шест протона, шест електрона и така зарядът се неутрализира. Ако изгубя един електрон и останат само пет, тогава ще имам положителен заряд. Ще говорим още много за това в течение на уроците по химия, но се надявам, че започва да ти става интересно. Сега вече можем да се приближим до тази фундаментална градивна частица, наречена атом. А дори по-забележително е, че тази фундаментална градивна частица е изградена от още по-фундаментални градивни частици. И тези неща могат да бъдат разменяни, за да променят свойствата на атомите или дори да преминават от атома на един елемент в атома на друг елемент.