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.
Вероватно знате да су све ствари сачињене од атома, и да је атом врло, врло, врло ситна честица. Сваки атом има језгро, које чини бар једна позитивно наелектрисана честица која се зове протон, и у већини случајева, одређен број неутралних честица које се зову неутрони. То језгро је окружено негативно наелектрисаним честицама које се зову електрони. Идентитет атома одређен је само бројем протона у језгру. Водоник је водоник јер има само један протон, угљеник је угљеник јер има шест, злато је злато јер има 79, и тако даље. Дозволите једну кратку дигресију. Пошто нам протони, неутрони и електрони нису видљиви, како се онда ишта зна о структури атома? Па тако што се обави пуно експеримената и развије модел онога што сматрамо да се у атому налази. Онда се обави још експеримената и провери да ли се поклапају с моделом. Ако да, одлично. Ако не, онда се развије нов модел. Од Демокритовог времена, 400 год. пне, развијало се мноштво различитих модела, и скоро сасвим сигурно ће их бити још у будућности. Крај дигресије. Језгра атома теже да буду на окупу, али се електрони слободно крећу, због чега их хемичари воле. Да можемо да се венчамо с њима, вероватно бисмо то учинили. Електрони су необични. Некад се понашају као честице, попут лоптица за тенис, а некада као таласи, попут нпр. морских, што зависи од експеримента који се обавља. Најнеобичнија ствар код електрона је то што нисмо сигурни где се тачно налазе. Није да не постоји опрема за утврђивање тога, него је та несигурност део тог модела електрона. Добро, не може им се утврдити тачна локација, али се зато може рећи да постоји одређена вероватноћа проналажења електрона на одређеном простору око језгра атома. То значи да можемо поставити следеће питање: ако би се око језгра повукла линија у оквиру које бисмо са 95% сигурности могли да нађемо дати електрон, како би та линија изгледала? Ево неких облика. Хемичари их зову орбиталима и изглед сваког зависи, између осталог, од енергије коју носи. Што више енергије има, орбитал ће бити удаљенији од језгра атома. Узгред, зашто смо одредили баш 95, а не 100%? То је још једна зачкољица у нашем моделу електрона. На одређеној удаљености од језгра, вероватноћа да се електрон пронађе почиње да опада мање или више експоненцијално, што значи да се приближава нули, али никад не буде тачно нула. У сваком атому постоји мала, али не и никаква, вероватноћа да ће се за врло, врло кратак временски период један од његових електрона наћи на другом крају познатог универзума. Електрони углавном остају близу језгра као густи облаци негативног наелектрисања који се временом померају. Интеракција електрона једног атома с електронима другог одређује скоро све на свету. Атоми могу да отпусте своје електроне и предају их другим, или могу да их деле. Динамика те друштвености чини хемију занимљивом. Обично старо камење, прекрасна сложеност живота, природа свега што видимо, чујемо, чији укус осећамо, миришемо, или што можемо да додирнемо, па чак и осетимо, све је одређено на нивоу атома.