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.
אתם כנראה יודעים שכל החומר עשוי מאטומים ושאטומים הם חלקיקים ממש, ממש, ממש, ממש זעירים. לכל אטום יש חלק מרכזי שעשוי מלפחות חלקיק אחד טעון חיובי שנקרא פרוטון, וברוב המקרים, מספר כלשהו של חלקיקים עם מטען ניטרלי שנקראים ניוטרונים. הגלעין הזה מוקף בחלקיקים טעונים שלילית שנקראים אלקטרונים. הזהות של האטום נקבעת רק לפי מספר הפרוטונים בגלעין שלו. מימן הוא מימן מפני שיש לו רק פרוטון אחד, פחמן הוא פחמן מפני שיש לו שישה, זהב הוא זהב מפני שיש לו 79, וכך הלאה. תנו לי לסטות לרגע מהנושא. איך אנחנו יודעים מהו מבנה האטום? אנחנו לא יכולים לראות פרוטונים, ניוטרונים או אלקטרונים. אז אנחנו עושים כמה ניסויים ומפתחים מודל למה שאנחנו חושבים שיש שם. אז אנחנו עושים עוד ניסויים ורואים אם הם מתאימים למודל. אם הם מתאימים, מעולה. אם לא, זה אולי זמן טוב לפתח מודל חדש. היו לנו הרבה מודלים שונים של האטום מאז דמוקריטוס ב 400 לפני הספירה, ורוב הסיכויים שיהיו עוד הרבה שיגיעו. אוקיי, נחזור לנושא. גלעיני האטומים נוטים להיצמד, אבל אלקטרונים חופשיים לנוע, ולכן כימאים אוהבים אלקטרונים. אם היינו יכולים להתחתן איתם, כנראה היינו עושים את זה. אבל אלקטרונים הם מוזרים. נראה שהם מתנהגים או כחלקיקים, כמו כדורים זעירים, או כמו גלים במים, תלוי בניסוי שאנחנו עורכים. אחד הדברים הכי מוזרים בנוגע לאלקטרונים הוא שאנחנו לא יכולים להגיד בדיוק איפה הם. זה לא שאין לנו את המכשור, אלא שחוסר הוודאות הוא חלק מהמודל של האלקטרון. אז אנחנו לא יכולים למקם אותם, בסדר. אבל אנחנו יכולים להגיד שיש סבירות מסויימת למצוא אלקטרון באיזור נתון סביב הגלעין. וזה אומר שאנחנו יכולים לשאול את השאלה הבאה: אם היינו מציירים צורה סביב הגלעין כך שהיינו בטוחים ב95% שנמצא אלקטרון נתון בתוך הצורה, איך היא היתה נראית? הנה כמה מהצורות. הכימאים קוראים להן אורביטלים, ואיך כל אחד מהם נראה תלוי, בין השאר, בכמה אנרגיה יש לו. ככל שיש לאורביטל יותר אנרגיה, הצפיפות שלו רחוקה יותר מהגלעין. דרך אגב, למה בחרנו ב 95% ולא 100%? ובכן, זו תופעה מוזרה נוספת של מודל האלקטרון שלנו. מעבר למרחק מסויים מהגלעין, ההסתברות של מציאת אלקטרון מתחילה לקטון פחות או יותר אקספוננציאלית, מה שאומר שבעוד היא מתקרבת לאפס, היא לעולם לא תגיע לאפס. אז בכל אטום, יש הסתברות קטנה, אבל לא אפסית, שלתקופה ממש ממש קצרה, אחד האלקטרונים הוא בקצה האחר של היקום הידוע. אבל לרוב, האלקטרונים נשארים קרוב לגלעין שלהם כעננים של דחיסות טעונה שלילית שנעים וזזים עם הזמן. איך אלקטרונים מאטום אחד פועלים עם אלקטרונים מאטום אחר קובע כמעט הכל. אטומים יכולים לוותר על האלקטרונים שלהם, לתת אותם לאטומים אחרים, או שהם יכולים לחלוק אלקטרונים. והדינמיקה של הרשת החברתית הזו היא שעושה את הכימיה למעניינת. מאבנים פשוטות ליופי המורכב של החיים, הטבע של כל מה שאנחנו רואים, שומעים, טועמים, מריחים, נוגעים, ואפילו מרגישים נקבע ברמה האטומית.