لا بد أنك تعلم أن كل شيء مكون من الذرات وأن الذرة هي جسيم صغيرٌ جداً جداً جداً جداً جداً. ولكل ذرة نواة والمكونة من جسيم واحد على الأقل مشحونٌ إيجاباً يدعى بالبروتون وفي معظم الحالات بعض الجسميات المحايدة التي تدعى بالنترونات. وتلك النواة محاطة بجسيمات مشحونة سلباً تدعى بالإلكترونات. هوية الذرة تحدد فقط وفقاً لعدد البروتونات في نواتها. فالهيدروجين هو هيدروجين لأن فيه بروتوناً واحداً، والكربون هو الكربون لأن فيه ستة بروتونات والذهب هو الذهب لأن فيه 79 بروتوناً وهكذا دواليك. لنفكر لبرهة. كيف لنا أن نعلم هيكلية الذرة؟ فلا يمكننا رؤية البروتونات ولا النترونات ولا الإلكترونات. إذاً، فنحن نقوم ببضع تجارب ونطور نموذجاً لما نعتقد أنه هناك. بعدها نقوم بالمزيد من التجارب ونتأكد من أنها توافق النموذج الذي بنيناه. إذا توافقت مع النموذج، فهذا ممتاز. وإذا لم تتوافق، فربما علينا أن نبني نموذجاً آخر. مرت علينا الكثير من النماذج المختلفة للذرات منذ عهد ديموقريطس في عام 400 قبل الميلاد وسوف يكون هناك بالتأكيد الكثير منها في المستقبل. حسناً، انتهت البرهة. أنوية الذرات تميل للبقاء سوية لكن الإلكترونات لها حرية الحركة لهذا السبب يحب الكيميائيون الإلكترونات. إذا استطعنا أن نزوجهم فعلى الأغلب سنفعل. لكن الإلكترونات غريبة. فهي تتصرف كالأجسام مثل كرة البيسبول الصغيرة أو تتصرف كالموجات، كموجات الماء وهذا يتوقف على التجربة التي نجريها. من أغرب الأشياء بالنسبة للإكترونات أنه لا يمكننا أن نحدد مكانها بالضبط. ليست المشكلة أننا لا نملك المعدات المناسبة لذلك لكن هذه الريبة هي جزء من نموذجنا عن الالكترون. إذاً، لا يمكننا أن نحدد نقطة تواجدها، حسناً. لكن يمكننا أن القول بأن هناك احتمالية معينة لإيجاد إلكترون في فضاء معين حول النواة. مما يعني أنه يمكننا أن نسأل: إذا رسمنا شكلاً حول النواة بحيث أننا متأكدون بنسبة 95% من إيجاد إلكترون معين في ذلك الشكل فماذا سيكون هذا الشكل؟ إليك بضعاً من هذه الأشكال. يطلق عليها الكيميائيون إسم المدارات وشكل كل منها يعتمد على كمية الطاقة التي تحتويها وأشياء أخرى أيضاً. كلما زادت طاقة المدار كلما زاد بعدها عن النواة. بالمناسبة، لماذا كانت النسبة 95% وليس 100%؟ حسناً، إنه عيب آخر في نموذجنا عن الإلكترون. بعد تخطي بعدٍ معين عن النواة يبدأ احتمال إيجاد الكترون بالانخفاض أضعافاً مضاعفة والذي يعني أنه بينما تحاول الوصول إلى الصفر فلن تصل إلى الصفر أبداً. إذا في كل ذرة هناك احتمال صغير ولكنه لا يساوي الصفر أنه وخلال فترة قصيرة جداً جداً من الزمن واحد من إلكتروناتها يكون في النهاية الأخرى للفضاء المعروف. ولكن غالباً ما تبقى الالكترونات قريبة من أنويتها كسحبٍ من الكثافة المشحونة سالباً التي تتغير وتتحرك مع مرور الزمن. كيف تتفاعل إلكترونات من ذرة مع إلكترونات من ذرة أخرى يحدد تقريباً كل شيء. يمكن للذرات أن تتخلى عن إلكتروناتها مسلمة إياها إلى ذرات أخرى كما بإمكانها مشاركة الالكترونات. ديناميكية هذه الشبكة الاجتماعية هي ما يجعل الكيمياء مثيرة للاهتمام. من الصخور القديمة والخام إلى تعقيد الحياة الجميل طبيعة كل شيء نراه ونسمغع ونتذوقه ونشمه ونلمسه ونحس به حتى كل ذلك يحدد على مستوى الذرات.
You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.