WEBVTT
00:00:00.542 --> 00:00:03.027
Мы, люди, на протяжении тысячелетий,
00:00:03.027 --> 00:00:06.639
просто в результате наблюдений за окружающей нас средой, знали, что существуют различные вещества,
00:00:06.639 --> 00:00:09.911
и эти вещества склонны проявлять различные свойства.
00:00:09.911 --> 00:00:11.407
Они не просто отличались свойствами;
00:00:11.407 --> 00:00:14.191
они могли отражать свет каким-то определенным образом или не отражать его вовсе,
00:00:14.191 --> 00:00:17.570
быть определенного цвета, иметь определенную температуру и, при определенной температуре,
00:00:17.570 --> 00:00:20.128
быть жидкостью, газом или твердым телом.
00:00:20.128 --> 00:00:24.718
Мы начали замечать, как они реагируют друг с другом при определенных условиях.
00:00:24.718 --> 00:00:27.097
Вот изображения этих веществ:
00:00:27.097 --> 00:00:31.381
вот углерод в форме графита,
00:00:31.381 --> 00:00:35.880
вот свинец, и вот золото.
00:00:35.880 --> 00:00:38.743
Все те вещества, что я нарисовал и показал на картинках,
00:00:38.743 --> 00:00:41.467
я взял вот с этого сайта.
00:00:41.467 --> 00:00:45.061
Все они в твердом состоянии, но нам также известно, что мы...
00:00:45.061 --> 00:00:47.316
Это выглядит так, как если бы в них были определенные виды воздуха,
00:00:47.316 --> 00:00:49.059
определенные виды частиц воздуха,
00:00:49.059 --> 00:00:51.764
и, в зависимости от того, на какой из типов частиц воздуха вы смотрите,
00:00:51.764 --> 00:00:55.554
будь это углерод, кислород или азот,
00:00:55.554 --> 00:00:57.599
они проявляют различные свойства.
00:00:57.765 --> 00:01:02.352
Жидкостями могут быть различные вещества, если вы разогреете их до достаточно высокой температуры.
00:01:02.352 --> 00:01:05.364
Если вы разогреете до определенной температуры золото или свинец,
00:01:05.364 --> 00:01:06.141
вы можете получить жидкость.
00:01:06.141 --> 00:01:10.135
Или, если вы... если вы сожжёте углерод,
00:01:10.311 --> 00:01:13.524
вы сможете получить его в газообразном состоянии, сможете выпустить его в атмосферу,
00:01:13.524 --> 00:01:14.933
сможете разрушить его структуру.
00:01:14.933 --> 00:01:17.423
Это - те вещи, которые все мы, в некоторой мере...
00:01:17.423 --> 00:01:20.690
те вещи, которые человечество наблюдало в течении тысячелетий.
00:01:20.914 --> 00:01:22.302
И это приводит нас к естественному вопросу,
00:01:22.302 --> 00:01:24.319
который считался прежде философским,
00:01:24.319 --> 00:01:26.393
но теперь может получить более однозначный ответ.
00:01:26.393 --> 00:01:31.184
Если вы продолжите разрушать этот углерод
00:01:31.184 --> 00:01:33.373
на всё более и более мелкие частицы,
00:01:33.373 --> 00:01:35.940
то существует ли некая мельчайшая частица,
00:01:35.940 --> 00:01:40.084
самая маленькая возможная часть этого вещества,
00:01:40.084 --> 00:01:43.087
которая по-прежнему сохраняла бы его, углерода, свойства?
00:01:43.087 --> 00:01:45.459
Так, что если бы вы каким либо образом продолжили дальнейшее разрушение,
00:01:45.459 --> 00:01:47.590
то потеряли бы эти свойства?
00:01:47.590 --> 00:01:49.891
И ответ: существует.
00:01:49.891 --> 00:01:51.787
Просто чтобы понять нашу терминологию:
00:01:51.787 --> 00:01:56.336
эти различные чистые вещества,
00:01:56.336 --> 00:01:59.284
обладающие определенными свойствами при определенных температурах
00:01:59.284 --> 00:02:00.851
и реагирующие определенным образом,
00:02:00.851 --> 00:02:05.040
мы называем элементами.
00:02:05.040 --> 00:02:08.760
Углерод - это элемент. Свинец - это элемент. Золото - это элемент.
00:02:08.760 --> 00:02:11.001
Вы могли бы сказать, что и вода - это элемент.
00:02:11.001 --> 00:02:14.396
И в прошлом люди говорили о воде, как об элементе.
00:02:14.396 --> 00:02:18.045
Но сегодня мы знаем, что вода состоит из более простых элементов.
00:02:18.045 --> 00:02:20.755
Она состоит из кислорода и водорода.
00:02:20.755 --> 00:02:24.998
Все известные нам элементы перечислены здесь,
00:02:24.998 --> 00:02:27.778
в периодической таблице химических элементов.
00:02:27.778 --> 00:02:29.432
Углерод обозначается "C", "Carbon"
00:02:29.432 --> 00:02:32.426
Сейчас я скажу лишь о тех, что наиболее важны для человечества,
00:02:32.426 --> 00:02:35.370
но со временем вы, вероятно, познакомитесь с каждым из них.
00:02:35.370 --> 00:02:39.354
Это кислород. Это азот. Это кремний.
00:02:39.354 --> 00:02:43.137
Это "Au", золото. Это - свинец.
00:02:43.137 --> 00:02:52.355
Наиболее мелкой частичкой любого из этих элементов является атом.
00:02:52.355 --> 00:02:56.852
Так, если вы продолжите начатое и будете продолжать дробить вещество на всё более мелкие части,
00:02:56.852 --> 00:02:59.590
в конце концов вы получите атом углерода.
00:02:59.590 --> 00:03:02.806
Сделайте то же самое с золотом, и вы получите атом золота.
00:03:02.806 --> 00:03:07.164
Проделав то же со свинцом, вы получите некоторое количество этой, за неимением лучшего слова,
00:03:07.164 --> 00:03:09.487
частицы, называемой атомом свинца.
00:03:09.487 --> 00:03:13.565
Вы уже не сможете расщепить его, но это всё ещё будет свинец,
00:03:13.565 --> 00:03:16.710
так как он по-прежнему обладает свойствами свинца.
00:03:16.710 --> 00:03:18.729
И просто для того, чтобы дать вам представление,
00:03:18.729 --> 00:03:20.960
(а это - то, что мне всегда было сложно представить)
00:03:20.960 --> 00:03:24.489
о том, что атомы невообразимо малы.
00:03:24.489 --> 00:03:25.944
Совершенно серьезно, невообразимо малы.
00:03:25.944 --> 00:03:27.505
Например, углерод.
00:03:27.505 --> 00:03:29.531
Мои волосы сделаны из углерода.
00:03:29.531 --> 00:03:36.152
Большая часть меня сделана из углерода. Большая часть живых существ сделана из углерода.
00:03:36.157 --> 00:03:42.032
Итак, посмотрите на мои волосы. Мои волосы - углерод. Мои волосы - это в основном углерод.
00:03:42.033 --> 00:03:46.606
Так, если бы мы взяли мои волосы... Мои волосы не желтого цвета, но они прекрасно контрастируют с черным.
00:03:46.606 --> 00:03:49.822
У меня черные волосы. Если бы я показал их на экране, вы бы не смогли их увидеть.
00:03:49.822 --> 00:03:54.980
Но если бы вы посмотрели на мои волосы, я бы спросил вас: сколько атомов углерода мой волос в ширину?
00:03:54.994 --> 00:04:02.671
Как если бы вы разрезали мой волос, поперёк, а не вдоль, и спросили: сколько атомов углерода он в ширину?
00:04:02.671 --> 00:04:07.224
Вы могли бы догадаться, "о, он уже сказал мне, что они очень малы,
00:04:07.224 --> 00:04:10.533
так что здесь может быть целая тысяча углеродных атомов, или десять тысяч, или сто тысяч",
00:04:10.533 --> 00:04:11.630
а я бы сказал: "нет!".
00:04:11.630 --> 00:04:14.333
Здесь один миллион атомов углерода.
00:04:14.333 --> 00:04:21.318
Вы можете растянуть один миллион атомов углерода в струну, длина которой будет равна толщине волоса.
00:04:21.318 --> 00:04:26.750
Разумеется, это лишь приближение, их не ровно 1,000,000. Но это позволяет вам почувствовать, насколько же малы атомы.
00:04:26.750 --> 00:04:31.137
Вырвите волос из своей головы и представьте, как бы вы поместили один миллион предметов
00:04:31.137 --> 00:04:37.564
рядом друг с другом по ширине этого волоса.
00:04:37.564 --> 00:04:42.904
Сложно даже увидеть, какой толщины волос. И там находится один миллион атомов углерода.
00:04:42.904 --> 00:04:46.414
Это довольно круто уже само по себе.
00:04:46.414 --> 00:04:51.246
Нам известно, что существуют наименьшие частицы, "строительные блоки", "кирпичики" углерода,
00:04:51.246 --> 00:04:54.138
и не только углерода, но и всех остальных элементов.
00:04:54.138 --> 00:04:58.585
Но что ещё круче, так это то, что эти блоки связаны между собой.
00:04:58.585 --> 00:05:02.794
Атом углерода состоит из ещё более "фундаментальных" частиц.
00:05:02.794 --> 00:05:07.567
Атом золота состоит из ещё более фундаментальных частиц.
00:05:07.567 --> 00:05:12.782
Сами элементы определяются тем, как организованы эти фундаментальные частицы.
00:05:12.782 --> 00:05:15.932
Если бы вы могли изменять количество имеющихся у элемента элементарных частиц,
00:05:15.932 --> 00:05:18.133
вы смогли бы изменять свойства этого элемента,
00:05:18.133 --> 00:05:18.936
то, как он вступает в реакции,
00:05:18.936 --> 00:05:22.193
или же вы могли бы изменить сам элемент на другой.
00:05:22.193 --> 00:05:24.969
Просто для того, чтобы лучше понять.
00:05:24.969 --> 00:05:27.896
Давайте поговорим об этих фундаментальных частицах.
00:05:27.896 --> 00:05:32.939
Итак, у вас есть протон.
00:05:32.939 --> 00:05:35.101
Протон определяет...
00:05:35.101 --> 00:05:45.473
Число протонов в ядре атома, о котором мы поговорим позже, определяет элемент.
00:05:45.473 --> 00:05:48.279
Если вы посмотрите на периодическую таблицу, то увидите,
00:05:48.279 --> 00:05:50.348
что элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров,
00:05:50.348 --> 00:05:54.823
а атомные номера - это количество протонов в элементе.
00:05:54.823 --> 00:05:58.496
По определению, водород обладает одним протоном.
00:05:58.496 --> 00:06:02.844
Гелий обладает двумя, углерод - шестью.
00:06:02.844 --> 00:06:05.304
Не может быть углерода с 7 протонами.
00:06:05.304 --> 00:06:07.160
Если бы он был, то он был бы азотом,
00:06:07.160 --> 00:06:08.802
об бы больше не был углеродом.
00:06:08.802 --> 00:06:10.899
У кислорода 8 протонов.
00:06:10.899 --> 00:06:12.816
Если бы вы каким-либо образом добавили к ним ещё один протон,
00:06:12.816 --> 00:06:14.381
то кислород не был бы больше кислородом.
00:06:14.381 --> 00:06:20.004
Он стал бы фтором. Протоны определяют элементы.
00:06:20.004 --> 00:06:25.020
И атомное число, число протонов в ядре...
00:06:25.020 --> 00:06:27.628
запомните, это тот номер, что записан вот здесь
00:06:27.628 --> 00:06:29.829
для каждого из элементов в таблице.
00:06:29.829 --> 00:06:32.911
Число протонов равняется атомному числу,
00:06:32.911 --> 00:06:37.341
порядковому номеру элемента.
00:06:37.341 --> 00:06:41.140
Эти номера записаны здесь потому, что ими определяются свойства элементов.
00:06:41.140 --> 00:06:45.873
Две другие составные части атома
00:06:45.873 --> 00:06:47.402
(я думаю, мы могли бы их так называть)
00:06:47.402 --> 00:06:54.832
- это электрон и нейтрон.
00:06:54.832 --> 00:06:57.700
Модель, которую вы начали строить в своей голове,
00:06:57.700 --> 00:07:00.954
как вы увидите по мере своего продвижения по химической науке,
00:07:00.954 --> 00:07:02.808
в будущем станет немного более абстрактной
00:07:02.808 --> 00:07:04.703
и достаточно сложной для осмысления.
00:07:04.703 --> 00:07:06.131
Можно думать о ней так:
00:07:06.131 --> 00:07:09.780
у вас есть протоны и нейтроны, находящиеся в центре атома,
00:07:09.780 --> 00:07:11.028
они - ядро атома.
00:07:11.028 --> 00:07:14.834
К примеру, углерод, как нам известно, имеет 6 протонов.
00:07:14.834 --> 00:07:18.243
Так что один, два, три, четыре, пять, шесть.
00:07:18.243 --> 00:07:22.301
Углерод-12, являющийся одной из вариаций атома углерода,
00:07:22.301 --> 00:07:24.056
также будет иметь шесть нейтронов.
00:07:24.056 --> 00:07:25.981
Вы можете иметь различные вариации углерода,
00:07:25.981 --> 00:07:27.775
различающиеся между собой количеством нейтронов.
00:07:27.775 --> 00:07:30.237
Количество нейтронов и электронов может меняться,
00:07:30.237 --> 00:07:31.966
но это будет всё тот же элемент.
00:07:31.966 --> 00:07:33.332
Протоны меняться не могут.
00:07:33.332 --> 00:07:35.582
Если вы изменяете число протонов, вы получаете другой элемент.
00:07:35.582 --> 00:07:39.050
Давайте я нарисую ядро углерода-12.
00:07:39.050 --> 00:07:42.991
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
00:07:42.991 --> 00:07:46.415
Вот перед нами ядро углерода-12.
00:07:46.415 --> 00:07:48.039
Иногда оно может быть записано в таком виде.
00:07:48.039 --> 00:07:52.275
Иногда может быть записано также и количество протонов.
00:07:52.275 --> 00:07:56.197
Причина того, что мы называем его углеродом-12,
00:07:56.197 --> 00:07:58.736
(а здесь я отсчитал шесть нейтронов)
00:07:58.736 --> 00:08:04.509
заключается в том, что общее... это один из возможных взглядов на этот вопрос,
00:08:04.509 --> 00:08:11.758
мы подробнее рассмотрим его позже. 12 - это общее число протонов и нейтронов в ядре атома элемента.
00:08:11.758 --> 00:08:15.116
Углерод по определению имеет атомный номер 6,
00:08:15.116 --> 00:08:18.716
но мы можем написать это здесь, просто затем, чтобы напомнить себе об этом.
00:08:18.716 --> 00:08:21.461
Итак, в центре углеродного атома находится такое ядро.
00:08:21.461 --> 00:08:24.649
Углерод-12 будет иметь в нём 6 протонов и 6 нейтронов.
00:08:24.649 --> 00:08:27.414
Другая версия углерода, углерод-14, будет по-прежнему
00:08:27.414 --> 00:08:30.919
иметь 6 протонов, но будет иметь 8 нейтронов.
00:08:30.919 --> 00:08:32.510
Таким образом, число нейтронов может варьироваться.
00:08:32.510 --> 00:08:34.123
Но вот перед нами углерод-12,
00:08:34.123 --> 00:08:36.858
и если углерод-12 [электро]нейтрален,
00:08:36.858 --> 00:08:40.516
(это слово я также поясню чуть позже)
00:08:40.516 --> 00:08:43.442
если он нейтрален, то он будет также иметь и 6 электонов.
00:08:43.442 --> 00:08:45.458
Давайте я нарисую эти шесть электронов.
00:08:45.458 --> 00:08:49.340
Раз, два, три, четыре, пять, шесть.
00:08:49.340 --> 00:08:52.455
Один из способов... и, возможно, простейший способ
00:08:52.455 --> 00:08:58.849
представить себе взаимоотношения между электронами и ядром - это представить себе, как электроны
00:08:58.849 --> 00:09:02.909
двигаются вокруг ядра, носятся вокруг него.
00:09:02.909 --> 00:09:08.113
Вы можете представить их движущимися вокруг ядра по орбитам, но это не совсем правильно.
00:09:08.113 --> 00:09:11.656
Они не двигаются по орбитам, как это делают планеты вокруг Солнца.
00:09:11.656 --> 00:09:13.864
Но это хорошая отправная точка.
00:09:13.864 --> 00:09:18.540
Другой способ представить их движение - как будто бы они "прыгают" вокруг ядра, или "роятся" вокруг него.
00:09:18.540 --> 00:09:22.113
Всё это необходимо только из-за того, что реальность становится очень странной в этом месте.
00:09:22.113 --> 00:09:26.413
Нам придётся податься в квантовую физику для того, чтобы понять, что на самом деле делает электрон.
00:09:26.413 --> 00:09:29.733
Но первой мысленной моделью в вашей голове должно быть то,
00:09:29.733 --> 00:09:34.137
что в центре этого атома, атома углерода-12, находится ядро.
00:09:34.137 --> 00:09:37.023
Вот это ядро.
00:09:37.023 --> 00:09:40.726
И эти электроны перемещаются вокруг этого ядра.
00:09:40.726 --> 00:09:45.377
И причина того, что эти электроны перемещаются вокруг ядра, никуда от него не отлетая,
00:09:45.377 --> 00:09:47.528
причина того, что они, в некотором роде, привязаны к этому ядру,
00:09:47.528 --> 00:09:49.451
и того, что они являются частью этого атома,
00:09:49.451 --> 00:09:54.409
заключается в том, что протоны обладают положительным электрическим зарядом,
00:09:54.409 --> 00:09:57.931
а электроны обладают отрицательным.
00:09:57.931 --> 00:10:02.535
Это одно из свойств этих фундаментальных частиц.
00:10:02.535 --> 00:10:05.413
Когда вы начинаете задумываться о том, чем в принципе является заряд,
00:10:05.413 --> 00:10:07.060
это оказывается достаточно глубоким вопросом.
00:10:07.060 --> 00:10:10.715
Но что нам достоверно известно об электромагнитных взаимодействиях,
00:10:10.715 --> 00:10:13.273
так это то, что противоположные заряды притягиваются друг к другу.
00:10:13.273 --> 00:10:15.296
Так что лучше всего представить себе это так:
00:10:15.296 --> 00:10:19.905
протоны и электроны притягиваются друг к другу потому, что имеют противоположные электрические заряды.
00:10:19.905 --> 00:10:25.128
Нейтроны нейтральны, так что они просто находятся внутри ядра
00:10:25.128 --> 00:10:33.115
и на некотором уровне влияют оттуда на свойства конкретных атомов и конкретных элементов.
00:10:33.115 --> 00:10:38.561
Причина того, что электроны не разлетаются во все стороны, заключается в том, что они притягиваются.
00:10:38.561 --> 00:10:42.293
Они притягиваются к ядру.
00:10:42.293 --> 00:10:45.131
И ещё они обладают невероятной скоростью.
00:10:45.131 --> 00:10:51.206
Это достаточно сложно... мы снова прикасаемся к очень странному разделу физики,
00:10:51.206 --> 00:10:54.017
когда начинаем говорить о том, что же электрон на самом деле делает
00:10:54.017 --> 00:10:55.660
но он обладает достаточно...
00:10:55.660 --> 00:11:01.344
Я полагаю, вы могли бы сказать, что он так скачет вокруг ядра, что это не позволяет ему упасть на ядро.
00:11:01.344 --> 00:11:03.488
Думаю, это один из способов взглянуть на этот вопрос.
00:11:03.488 --> 00:11:09.948
Итак, я упомянул углерод-12, определенный числом протонов.
00:11:09.948 --> 00:11:12.588
Кислород был бы определен по тому, что имеет 8 протонов.
00:11:12.588 --> 00:11:16.487
Но снова, электроны могут взаимодействовать с другими электронами.
00:11:16.487 --> 00:11:19.050
Они могут забираться другими атомами.
00:11:19.050 --> 00:11:23.235
И в этом заключается большая часть нашего понимания химии.
00:11:23.235 --> 00:11:27.741
Оно основано на том, как много электроном имеется у атома, у атома определенного элемента,
00:11:27.741 --> 00:11:33.984
и как эти электроны распределены, как распределены электроны других элементов,
00:11:33.984 --> 00:11:36.326
или, может быть, других атомов того же самого элемента?
00:11:36.326 --> 00:11:43.152
Мы можем предсказывать, как атом одного элемента мог бы прореагировать с другим атомом того же элемента,
00:11:43.152 --> 00:11:46.971
или как атом одного элемента реагировал бы,
00:11:46.971 --> 00:11:52.399
как бы он образовывал связи с, как бы притягивался к или отталкивал бы другой атом другого элемента.
00:11:52.399 --> 00:11:56.530
К примеру, - я расскажу много всего об этом в будущем, - это:
00:11:56.530 --> 00:12:02.937
атом другого элемента может забрать себе принадлежащий углероду электрон,
00:12:02.937 --> 00:12:04.973
в силу некоторых причин.
00:12:04.973 --> 00:12:10.624
Позже мы поговорим о том, что конкретные нейтральные атомы конкретных элементов
00:12:10.624 --> 00:12:13.852
обладают более сильной способностью притягивать электроны, чем другие.
00:12:13.852 --> 00:12:16.832
И один из таких атомов мог бы "украсть" электрон у углерода,
00:12:16.832 --> 00:12:20.851
и тогда углерод имел бы меньше электронов, чем он имеет протонов,
00:12:20.851 --> 00:12:25.196
пять электронов против шести протонов.
00:12:25.196 --> 00:12:27.842
Такой углерод обладал бы положительным зарядом.
00:12:27.842 --> 00:12:33.044
Углерод-12, который я нарисовал в начале, имел по 6 протонов и нейтронов,
00:12:33.044 --> 00:12:34.589
и они нейтрализовали заряды друг друга.
00:12:34.589 --> 00:12:37.021
Если бы я потерял электрон, то у меня бы осталось 5 электронов,
00:12:37.021 --> 00:12:39.037
и тогда я имел бы положительный заряд.
00:12:39.037 --> 00:12:42.943
И мы ещё много раз поговорим об этом за время нашего курса,
00:12:42.943 --> 00:12:46.065
но, надеюсь, вы чувствуете, насколько всё это становится круто.
00:12:46.065 --> 00:12:52.936
Мы уже можем добраться до этого фундаментального "кирпичика", называемого атомом.
00:12:52.936 --> 00:12:55.758
А ещё круче то, что эти фундаментальные "кирпичики" сами построены
00:12:55.758 --> 00:12:58.609
из ещё более фундаментальных "кирпичиков"!
00:12:58.609 --> 00:13:07.824
И все эти вещи могут меняться, изменяя свойства атома, или даже переходить от атома одного элемента к атому другого.