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.
Wszystko składa się z atomów, bardzo, bardzo małych cząsteczek. Każdy atom ma jądro, składające się przynajmniej z jednej pozytywnie naładowanej cząstki, nazywanej protonem, i zazwyczaj z pewnej ilości neutralnych cząstek - neutronów. Jądro atomu jest otoczone negatywnie naładowanymi elektronami. Każdy atom jest określany wyłącznie przez liczbę protonów w jądrze. Wodór jest wodorem, bo ma tylko 1 proton, węgiel węglem, bo ma 6 protonów, a złoto jest złotem, bo ma ich 79. I tak dalej. Zastanówmy się przez chwilę. Skąd wiemy o strukturze atomu? Nie widać przecież protonów, neutronów i elektronów. W licznych eksperymentach kształtujemy wyobrażony model. W kolejnych eksperymentach sprawdzamy, czy pasują do tego modelu. Jeśli tak, to wspaniale. Jeśli nie, może pora na nowy model. Tworzyliśmy już wiele takich modeli od czasów Demokryta 400 lat p.n. e., a z pewnością powstanie wiele kolejnych. Wróćmy do tematu. Jądra atomu raczej trzymają się razem, a elektrony mogą się swobodnie poruszać. Dlatego chemicy tak je kochają. Pewnie braliby z nimi ślub, gdyby mogli. Ale elektrony są też dziwne. Zachowują się zarówno jak cząsteczki, niczym małe piłeczki, oraz jak fale, niczym fale na wodzie. Zależy to od rodzaju eksperymentu. Najdziwniejsze jest to, że nie wiemy, gdzie one właściwie są. Nie to, że nie mamy odpowiednich urządzeń. Ta niepewność jest częścią naszego modelu elektronu. Nie możemy ich złapać, OK. Ale jest pewne prawdopodobieństwo, że znajdziemy elektron w określonej przestrzeni wokół jądra. Możemy zadać więc pytanie: jeśli narysujemy kształt wokół jądra i będziemy na 95% pewni, że jest tam elektron, to jak będzie ten kształt wyglądać? Oto kilka takich kształtów. Chemicy nazywają je orbitalami. Kształt każdego orbitala zależy między innymi od ilości posiadanej energii. Im więcej energii na orbitalu, tym dalej rozciąga się od jądra atomu. Przy okazji, czemu 95%, a nie 100%? To kolejne dziwactwo w naszym modelu elektronu. W pewnej odległości od jądra prawdopodobieństwo znalezienia elektronu zaczyna się zmniejszać wykładniczo. To znaczy, zbliżając się do zera, tak naprawdę nigdy go nie osiągnie. W każdym atomie jest niewielka, ale nie zerowa szansa, że przez bardzo krótki czas jeden z elektronów jest na drugim końcu znanego wszechświata. Ale zazwyczaj trzymają się blisko jądra, jako negatywnie naładowane chmury, które zmieniają się i poruszają w czasie. To, jak elektrony z jednego atomu oddziałują na elektrony innego, określa niemal wszystko. Atomy mogą odrzucać elektrony, oddając je innym atomom, albo mogą się nimi dzielić. Przez dynamikę tej współpracy chemia jest interesująca. Od prostych, starych skał po piękną złożoność życia, cała natura postrzegana wzrokiem, słuchem, węchem, smakiem, dotykiem czy nawet uczuciami, jest określona na poziomie atomowym.