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.
Вы, наверное, знаете, что всё сделано из атомов и что атом — это очень, очень, очень маленькая частица. У каждого атома есть ядро, которое состоит из как минимум одной положительно заряженной частицы, называемой протоном, и, как правило, нескольких нейтральных частиц, нейтронов. Это ядро окружено негативно заряженными частицами, электронами. Химический элемент определяют только по количеству протонов в ядре. Водород опознают, потому что у него один протон, у углерода их шесть, у золота — 79, и так далее. Позвольте мне ненадолго отклониться от темы. Откуда мы знаем о структуре атома? Мы не можем увидеть протоны, нейтроны и электроны. Поэтому мы проводим ряд экспериментов и создаём модель по нашим представлениям. Потом мы проводим ещё ряд экспериментов и проверяем, подтверждают ли они нашу модель. Если да, то это замечательно. Если нет — может, пришло время для новой модели. Со времён Демокрита, 400 года до нашей эры, мы создали множество очень разных моделей атомов, и в будущем их точно будет ещё больше. Итак, вернёмся к теме урока. Ядра атомов имеют обыкновение сцепляться, а электроны свободны в своём движении, поэтому химики так любят электроны. Если бы мы могли соединить их, то, наверняка, бы попробовали. Но электроны — странные частицы. Они ведут себя то как частицы, как маленькие мячики, то как волны, волны на воде, в зависимости от эксперимента, который мы проводим. Одна из самых больших странностей электронов — это то, что мы не можем точно определить, где они. Проблема не в отсутствии нужного оборудования, а в том, что эта неопределённость — часть нашей модели электрона. Итак, мы не можем точно определить их положение. Но мы можем с определённой долей вероятности утверждать, что найдём электрон в данном месте в окрестности ядра. То есть мы можем задать следующий вопрос: если нарисовать форму вокруг ядра, такую, что с вероятностью 95% мы найдём электрон внутри этой формы, то как она будет выглядеть? Вот несколько таких форм. Химики называют их орбиталями, и внешний вид каждой из них зависит, помимо прочего, от того, сколько в них энергии. Чем больше у орбитали энергии, тем дальше большая часть его плотности от ядра. Кстати, почему мы взяли 95%, а не 100%? Это ещё одна причуда нашей модели электрона. На определённом расстоянии от ядра вероятность найти электрон начинает уменьшаться почти экспоненциально, то есть она будет приближаться к нулю, но никогда его не достигнет. Итак, в каждом атоме есть очень маленькая, но не нулевая, вероятность, что на очень, очень короткий промежуток времени один из его электронов находится на другом конце известной нам области. Но, как правило, электроны остаются на близком расстоянии к ядру, как облака отрицательно заряженной плотности, которые перемещаются со временем. То, как электроны одного атома взаимодействуют с электронами другого, определяет почти всё в мире. Атомы могут отказываться от своих электронов, отдавая их другим атомам, или могут пользоваться электронами вместе. Динамика этой социальной сети — самое интересное в химии. Начиная с обычных старых камней и заканчивая великолепной сложностью жизни, природа всего, что мы видим, слышим, обоняем, пробуем на вкус, трогаем и даже чувствуем, определяется на уровне атома.