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.
Stiţi deja că toate sunt făcute din atomi şi că un atom este o particulă extrem de mică. Fiecare atom are un miez, alcătuit din cel puţin o particulă încărcată pozitiv numită proton şi în multe cazuri, un număr de particule neutre numite neutroni. Acel miez este înconjurat de particule încarcate negativ numite electroni. Identitatea unui atom este determinată doar de numărul de protoni din nucleul său. Hidrogenul este aşa pentru că are doar un proton, carbonul pentru că are şase, aurul pentru că are 79, etc. Îngăduiţi-mi o paranteză. Cum ştim despre structura atomică? Nu vedem protonii, neutronii sau electronii. Şi atunci facem nişte experimente şi dezvoltăm un model pentru ce credem că este acolo. Apoi facem nişte experimente şi vedem dacă ei se conformează modelului. Dacă da, foarte bine. Dacă nu, poate e timpul pentru alt model. Am avut o mulţime de modele pentru atomi de la Democrit din 400 e.n. şi probabil că vor mai fi şi altele. Ok, am terminat paranteza. Miexul atomilor tinde să stea unit, dar electronii sunt liberi să se mişte şi de aceea chimiştii iubesc electronii. Dacă ar fi căsătoriţi cu ei, poate că da. Dar electronii sunt ciudaţi. Ei par să se comporte fie ca particule, ca mingi infime de baseball, sau ca valuri, cele de apă, depinde de experimentul pe care îl facem. Unul dintre cele mai ciudate lucruri despre electroni este că nu putem spune exact unde sunt. Nu pentru că nu avem echipament, ci pentru că această incertitudine e parte a modelului electronului nostru. Deci, nu-i putem localiza. Dar putem spune că există probabilitatea de a găsi un electron într-un anumit spaţiu în jurul nucleului. Şi asta înseamnă că ne punem întrebarea: Dacă desenăm o formă în jurul nucleelor ca şi cum am fi 95% siguri că găsim un electron în acea formă, cum ar arăta? Iată câteva forme. Chimiştii le numesc orbitali şi felul în care arată fiecare depinde, printre altele, de câtă energie are. Cu cât un orbital are mai multă energie, cu atât e mai departe se situează uajoritatea densității sale de nucleu. Apropos, de ce am ales 95% şi nu 100%? Ăata este un alt capriciu al modelului electronului nostru. Peste o anumită distanţă de nucleu, probabilitatea de a găsi un electron începe să descrească mai mult sau mai puţin exponenţial, adică în timp ce se apropie de zero, de fapt nu-l va atinge. Pentru fiecare atom, există o foarte mică probabilitate, non-zero, pentru o foarte scurtă durată de timp, ca unul din electronii săi esă fie la celălalt capăt al universului. Dar cei mai mulţi electroni stau aproape de nuclee ca nori de sarcini negative care se deplasează şi se mişcă în timpul. Modul în care electronii unui atom interacţionează cu electronii altuia determină aproape totul. Atomii pot ceda electronii, cedându-i altor atomi, sau pot avea electroni comuni. Şi dinamicile acestei reţele sociale fac chimia interesantă. De la vechile roci, până la minunata complexitate a vieţii, natura a tot ceea ce vedem, auzim, gustăm, mirosim, atingem şi chiar simţim este determinată la nivel atomic.