WEBVTT

00:00:00.000 --> 00:00:03.100
人類早已知曉

00:00:03.120 --> 00:00:05.820
只需留意周遭的環境

00:00:05.840 --> 00:00:07.070
就會發現不同的物質

00:00:07.090 --> 00:00:10.200
這些不同的物質 往往會有不同的性質

00:00:10.220 --> 00:00:11.640
不僅僅是性質不同

00:00:11.670 --> 00:00:14.460
可能一種物質會以某種方式反射光 而另一種卻不能

00:00:14.490 --> 00:00:17.720
這種物質或有某種顏色 或在特定的溫度下

00:00:17.740 --> 00:00:20.260
變成液體、氣體、固體

00:00:20.280 --> 00:00:22.080
但我們也開始觀察

00:00:22.100 --> 00:00:24.560
它們是如何在某些情況下相互反應的

00:00:24.580 --> 00:00:27.570
這裡有幾張這些物質的照片

00:00:27.600 --> 00:00:31.470
這張是在石墨形態下的碳的照片

00:00:31.490 --> 00:00:35.670
這裡這張是鉛 這張是金

00:00:35.690 --> 00:00:37.490
我做了標記的這些照片

00:00:37.510 --> 00:00:39.130
也就是在此給大家展示的圖片

00:00:39.140 --> 00:00:41.410
都是我在這個網址裏找到的

00:00:41.430 --> 00:00:44.650
這些都是在固態下的照片

00:00:44.670 --> 00:00:47.270
不過我們也知道 某種空氣

00:00:47.290 --> 00:00:49.440
某些空氣粒子

00:00:49.460 --> 00:00:51.820
當所觀察的空氣粒子的類型不同

00:00:51.840 --> 00:00:55.650
例如碳、氧、氮

00:00:55.670 --> 00:00:57.780
它們的性質都有所不同

00:00:57.800 --> 00:00:59.750
或者是其他的東西 比如液體

00:00:59.770 --> 00:01:02.290
可能只需將這些物質的溫度提到足夠的高

00:01:02.310 --> 00:01:05.560
例如 將金或鉛的溫度提到足夠高

00:01:05.590 --> 00:01:08.120
你就能得到液態的金或鉛 又或者

00:01:08.140 --> 00:01:12.210
如果把碳燃燒 就可以將它轉化爲氣態

00:01:12.230 --> 00:01:13.570
還可以將其釋放到大氣中

00:01:13.680 --> 00:01:14.960
還可以打破它的結構

00:01:14.990 --> 00:01:17.720
這些是我們人類上千年來 通過各種方法

00:01:17.750 --> 00:01:20.840
觀察得來的知識

00:01:20.860 --> 00:01:22.510
但是 這指向了一個自然問題

00:01:22.530 --> 00:01:24.580
很久以前 這是一個哲學問題

00:01:24.610 --> 00:01:26.630
不過我們現在可以更好地回答這個問題了

00:01:26.650 --> 00:01:31.150
這個問題就是 如果你不斷將一塊固體碳

00:01:31.200 --> 00:01:35.930
切得越來越小

00:01:35.950 --> 00:01:39.920
能不能切到最小

00:01:39.940 --> 00:01:43.450
最終得到碳的最小單位？

00:01:43.470 --> 00:01:45.620
如果繼續將它切小

00:01:45.640 --> 00:01:47.940
它會不會失去碳的特性？

00:01:47.960 --> 00:01:49.840
問題的答案是肯定的

00:01:49.860 --> 00:01:51.930
因此 我們先來學習一個術語

00:01:51.950 --> 00:01:54.830
我們稱這些不同的物質

00:01:54.850 --> 00:01:58.060
這些純淨的

00:01:58.080 --> 00:01:59.610
在某些溫度下

00:01:59.630 --> 00:02:02.700
有特殊性質、有不同的反應的物質

00:02:02.720 --> 00:02:05.200
我們稱之爲元素

00:02:05.220 --> 00:02:08.640
碳是一種元素 鉛是一種元素 金亦是一種元素

00:02:08.660 --> 00:02:12.720
你或許會認爲水是一種元素 而且在歷史的長河中

00:02:12.740 --> 00:02:14.660
古人也曾稱水爲元素

00:02:14.680 --> 00:02:18.070
但現在我們知道 水是由更爲基礎的元素組成的

00:02:18.090 --> 00:02:20.870
它是由氧元素和氫元素所組成

00:02:20.890 --> 00:02:23.270
現今發現的所有元素

00:02:23.290 --> 00:02:27.370
都列在元素周期表上

00:02:27.400 --> 00:02:29.350
C代表碳

00:02:29.380 --> 00:02:30.570
下面我只介紹一下

00:02:30.660 --> 00:02:32.500
幾種較爲常用的元素

00:02:32.530 --> 00:02:33.620
隨著時間的推移

00:02:33.690 --> 00:02:35.440
你或許會熟悉所有這些元素

00:02:35.470 --> 00:02:39.330
這是氧元素 這是氮元素 這是矽元素

00:02:39.350 --> 00:02:43.170
這是Au――金 這是鉛

00:02:43.190 --> 00:02:51.890
然而 這些元素的最基本單位都是原子

00:02:51.910 --> 00:02:55.450
所以 如果你不斷地拆分它

00:02:55.480 --> 00:02:57.150
把它拆得越來越小

00:02:57.180 --> 00:02:59.690
最終你會得到一個碳原子

00:02:59.720 --> 00:03:00.970
對金做同樣的事

00:03:01.030 --> 00:03:02.780
最終你會得到一個金原子

00:03:02.800 --> 00:03:04.020
同樣 對鉛做相同的事

00:03:04.040 --> 00:03:05.890
最終你會得到一些很小的

00:03:05.910 --> 00:03:09.460
用一個比粒子更好的詞 我們可以稱之爲鉛原子

00:03:09.480 --> 00:03:11.500
然後就不能再將其

00:03:11.520 --> 00:03:13.820
拆分成更小的“鉛”了

00:03:13.840 --> 00:03:17.050
它不再會擁有鉛的性質

00:03:17.080 --> 00:03:18.580
坦白說

00:03:18.610 --> 00:03:20.410
這真是一些太難以想象了

00:03:20.430 --> 00:03:24.200
原子真是難以置信的小

00:03:24.220 --> 00:03:27.100
難以想象的小 舉個例子 碳原子

00:03:27.110 --> 00:03:29.750
我的頭發也是由碳原子構成的

00:03:29.770 --> 00:03:32.130
事實上 我很大一部分都是由碳原子構成的

00:03:32.150 --> 00:03:36.270
事實上 大部分的生物都是由碳原子構成的

00:03:36.290 --> 00:03:40.310
所以 如果你把我的頭發。。。 當然我的頭發是碳

00:03:40.330 --> 00:03:42.410
我的頭發絕大部分都是碳

00:03:42.430 --> 00:03:45.120
所以 如果把我的頭發放在這 我的頭發不是黃色的

00:03:45.150 --> 00:03:46.830
但它和黑色形成了很好的對比

00:03:46.850 --> 00:03:48.450
我的頭發是黑色的 不過就算我把頭發放在這裡

00:03:48.470 --> 00:03:49.770
你們在屏幕上也看不到

00:03:49.780 --> 00:03:51.550
但是如果把我的頭發放在這裡

00:03:51.570 --> 00:03:55.220
我會問 我的頭發有多少個碳原子寬？

00:03:55.240 --> 00:03:57.640
如果給我的頭發絲做一個橫橫斷面

00:03:57.670 --> 00:04:00.070
不是縱切 是橫著切

00:04:00.100 --> 00:04:02.830
有多少個碳原子那麽寬呢？

00:04:02.850 --> 00:04:07.560
你或許會猜 Sal已經告訴過我了 它很小很小

00:04:07.580 --> 00:04:09.310
所以 有一千個碳原子？

00:04:09.320 --> 00:04:10.810
或一萬個？ 或十萬個？

00:04:10.840 --> 00:04:14.850
但我的回答是 錯！ 它有一百萬個碳原子

00:04:14.870 --> 00:04:17.490
如果你把一百萬個碳原子並在一起

00:04:17.510 --> 00:04:21.550
就可以得到人類頭發絲的平均直徑

00:04:21.570 --> 00:04:24.280
這顯然是一個近似值 它不是精確的一百萬

00:04:24.300 --> 00:04:26.980
不過它可以讓你感覺到原子是多麽的小

00:04:27.010 --> 00:04:29.370
拔一根頭發 然後試著想象一下

00:04:29.400 --> 00:04:34.700
頭發絲中並排放置一百萬個小東西

00:04:34.730 --> 00:04:37.640
不是順著頭發 而是頭發的寬度

00:04:37.670 --> 00:04:39.300
我們甚至很難觀測到頭發的直徑

00:04:39.320 --> 00:04:42.770
更何況是一百萬個碳原子 僅是它的直徑

00:04:42.790 --> 00:04:47.500
這本身就很酷

00:04:47.530 --> 00:04:51.690
我們知道 碳原子是碳最基礎的組成部分

00:04:51.710 --> 00:04:53.980
原子是所有元素最基礎的單位

00:04:54.000 --> 00:04:57.460
但更爲整潔的是 那些最基本的單位――原子

00:04:57.480 --> 00:04:58.630
是相互關聯的

00:04:58.650 --> 00:05:02.920
一個碳原子是由更爲簡單的粒子所組成的

00:05:02.950 --> 00:05:07.660
一個金原子也是由更爲簡單的粒子所組成的

00:05:07.680 --> 00:05:09.960
它們實際上是

00:05:09.980 --> 00:05:12.860
由這些基本粒子的排列方式來確定的

00:05:12.880 --> 00:05:14.580
如果你要去改變這些基本粒子的數量

00:05:14.600 --> 00:05:16.690
改變這最基本的粒子的原有個數 你可以

00:05:16.710 --> 00:05:19.220
改變這種原子的特性 以及它發生的反應

00:05:19.240 --> 00:05:22.480
甚至可能改變元素的種類

00:05:22.510 --> 00:05:25.040
試著好好的理解

00:05:25.060 --> 00:05:27.600
讓我們先來聊聊那些更基本的粒子

00:05:27.620 --> 00:05:33.160
首先是質子

00:05:33.180 --> 00:05:35.090
質子實際上有決定性的意義

00:05:35.110 --> 00:05:38.380
原子核裏的質子數量

00:05:38.400 --> 00:05:40.250
等會我們再聊聊原子核

00:05:40.270 --> 00:05:42.460
這就是決定元素種類的東西

00:05:42.480 --> 00:05:44.760
決定元素種類的東西

00:05:44.780 --> 00:05:47.720
當你看這裡這張元素周期表時

00:05:47.740 --> 00:05:50.400
它們實際上是按照原子序排列的

00:05:50.420 --> 00:05:52.150
原子序 實際上

00:05:52.170 --> 00:05:54.760
就是這種元素的質子數

00:05:54.780 --> 00:05:58.540
根據定義 氫原子有1個質子

00:05:58.560 --> 00:06:02.650
氦原子有2個質子 鈣原子有6個質子

00:06:02.670 --> 00:06:05.340
你找不到有7個質子的碳原子

00:06:05.360 --> 00:06:08.800
如果你真找到了 那它就是氮原子 不是碳原子了

00:06:08.820 --> 00:06:10.810
氧原子有8個質子

00:06:10.830 --> 00:06:12.640
如果你通過某種方式給它加1個質子

00:06:12.660 --> 00:06:16.510
它就不再是氧了 它會變成氟

00:06:16.530 --> 00:06:17.970
所以 質子數決定了元素

00:06:17.990 --> 00:06:20.060
質子數決定了元素

00:06:20.080 --> 00:06:22.990
原子序 也就是質子的數量

00:06:23.010 --> 00:06:26.190
質子的數量――記住 是它的數量

00:06:26.220 --> 00:06:27.820
寫在最上方的這裡

00:06:27.840 --> 00:06:30.020
寫在元素周期表上的每個元素的上方

00:06:30.040 --> 00:06:33.010
質子數等於原子序

00:06:33.030 --> 00:06:36.830
質子數是等於原子序的

00:06:36.840 --> 00:06:38.300
原子序寫在這上面

00:06:38.320 --> 00:06:41.210
因爲它能確定一種元素

00:06:41.230 --> 00:06:45.900
原子的另外兩種組成部分

00:06:45.920 --> 00:06:47.500
我想我們可以直接用術語來說

00:06:47.520 --> 00:06:55.080
是電子和中子

00:06:55.100 --> 00:06:57.730
然後 你可以自己在腦袋裏搭建一個原子模型

00:06:57.750 --> 00:07:00.690
這個模型 在我們學習化學的過程中會發現

00:07:00.710 --> 00:07:02.960
它會變得更加抽象

00:07:02.980 --> 00:07:05.040
真的很難給它一個概念

00:07:05.060 --> 00:07:07.310
但是我們可以先來想象

00:07:07.330 --> 00:07:09.800
在原子的中心是質子和中子

00:07:09.820 --> 00:07:11.270
它們構成一個原子的原子核

00:07:11.290 --> 00:07:14.750
比如說碳 我們知道有6個質子

00:07:14.770 --> 00:07:18.190
所以一、二、三、四、五、六

00:07:18.210 --> 00:07:22.370
碳12 是其中一種碳

00:07:22.390 --> 00:07:24.130
它有6個中子

00:07:24.150 --> 00:07:26.030
你會發現碳有很多種類

00:07:26.050 --> 00:07:27.900
它們的不同 在於它們的中子數不同

00:07:27.920 --> 00:07:30.150
所以中子數可以不同 電子數也可以不同

00:07:30.170 --> 00:07:31.920
改變之後它還是相同的元素

00:07:31.950 --> 00:07:33.310
只有質子數不能變

00:07:33.330 --> 00:07:36.110
只要質子數一改變 你就會得到不同的元素

00:07:36.130 --> 00:07:39.140
所以 讓我來畫個碳12的原子核

00:07:39.160 --> 00:07:42.960
一、二、三、四、五、六

00:07:42.980 --> 00:07:46.580
所以 這就是碳12的原子核

00:07:46.600 --> 00:07:48.270
有時候可以寫成這樣

00:07:48.300 --> 00:07:51.810
有時候會在下面標上數字

00:07:51.830 --> 00:07:53.760
這個數字也就是質子的數量

00:07:53.780 --> 00:07:56.320
所以說稱之爲碳12的原因就是――

00:07:56.340 --> 00:07:58.940
這裡有6個中子

00:07:58.960 --> 00:08:00.460
12是一個總數

00:08:00.490 --> 00:08:03.630
你可以把它看作

00:08:03.660 --> 00:08:04.730
一種研究這粒子的方式

00:08:04.750 --> 00:08:06.550
這個數值的不同 在將來的課程中會有細微的差別

00:08:06.580 --> 00:08:07.760
這是原子核中

00:08:07.780 --> 00:08:12.050
質子和中子的總數

00:08:12.070 --> 00:08:14.940
碳的原子序是6

00:08:14.960 --> 00:08:18.440
我們可以寫在這裡提醒自己

00:08:18.460 --> 00:08:21.400
所以在碳原子的中心 這個原子核

00:08:21.420 --> 00:08:24.560
碳12有6個質子和6個中子

00:08:24.580 --> 00:08:27.150
而另一種碳 碳14

00:08:27.180 --> 00:08:28.500
仍有6個質子

00:08:28.520 --> 00:08:30.900
不過有8個中子

00:08:30.920 --> 00:08:32.620
中子的數量是可以不同的

00:08:32.650 --> 00:08:34.290
這個是碳12

00:08:34.310 --> 00:08:36.810
如果這個碳12是中性的

00:08:36.830 --> 00:08:40.510
我等會也會在這裡做些細微的改變

00:08:40.530 --> 00:08:43.340
如果它是中性的 它還會有6個電子

00:08:43.370 --> 00:08:45.300
讓我來畫那6個電子

00:08:45.320 --> 00:08:49.430
一、二、三、四、五、六

00:08:49.450 --> 00:08:52.670
第一點我們會想到的是

00:08:52.690 --> 00:08:56.780
電子和質子的關係

00:08:56.800 --> 00:08:58.870
你可以想象這些電子

00:08:58.890 --> 00:09:02.870
像蜜蜂一樣在原子核周圍轉圈

00:09:02.890 --> 00:09:05.330
有一種模型是 你可以想象它們

00:09:05.360 --> 00:09:08.180
像行星一樣繞著原子核運動 但是這並不完全正確

00:09:08.200 --> 00:09:10.370
它們不會像行星一樣按著特定的軌道運行

00:09:10.390 --> 00:09:11.720
像太陽係的行星繞著太陽運行那樣

00:09:11.740 --> 00:09:14.060
不過那是很好的想象的起點

00:09:14.080 --> 00:09:16.660
另外它們還會在原子核周圍跳來跳去

00:09:16.690 --> 00:09:18.320
或者說它們在原子核周圍亂動

00:09:18.340 --> 00:09:20.540
這是事實

00:09:20.560 --> 00:09:22.110
雖然在這個層面上顯得特別古怪

00:09:22.130 --> 00:09:23.950
實際上 我們要學習量子物理學

00:09:23.970 --> 00:09:26.610
才能真正理解這些電子的運動

00:09:26.630 --> 00:09:29.260
不過你腦袋裏第一個物質模型

00:09:29.290 --> 00:09:32.510
就是在碳12原子的中心

00:09:32.520 --> 00:09:34.250
有這個原子核

00:09:34.270 --> 00:09:36.900
在這裡 有這個原子核

00:09:36.920 --> 00:09:40.830
然後這些電子在原子核周圍跳來跳去

00:09:40.850 --> 00:09:42.620
這些電子之所以

00:09:42.640 --> 00:09:45.470
不會遠離原子核

00:09:45.490 --> 00:09:47.700
它們像是被束縛在原子核周圍的原因

00:09:47.720 --> 00:09:49.380
讓它們構成了原子一部分的原因

00:09:49.400 --> 00:09:52.040
就是 質子帶正電荷

00:09:52.060 --> 00:09:57.870
質子帶正電荷 而電子帶負電荷

00:09:57.890 --> 00:10:02.400
這是這些粒子的性質之一

00:10:02.420 --> 00:10:03.400
如果你開始思考

00:10:03.420 --> 00:10:05.450
爲什麽是電荷而不是中子數？

00:10:05.470 --> 00:10:06.940
那麽也就開始深入這個問題了

00:10:06.960 --> 00:10:08.770
不過我們熟悉的是

00:10:08.790 --> 00:10:10.620
電磁力

00:10:10.640 --> 00:10:13.190
例如正負電荷彼此吸引

00:10:13.210 --> 00:10:16.540
所以最佳的想法就是：質子和電子

00:10:16.560 --> 00:10:18.250
因爲帶有不同的電荷

00:10:18.270 --> 00:10:21.350
它們互相吸引 而中子是電中性的

00:10:21.370 --> 00:10:25.100
所以它們只是老實呆在原子核裏

00:10:25.120 --> 00:10:28.260
對於某些元素來說 中子數確實會

00:10:28.280 --> 00:10:33.160
在某種程度上影響這種物質的特性

00:10:33.180 --> 00:10:36.270
不過電子不會飛離原子核的真正原因是

00:10:36.300 --> 00:10:38.870
電子和質子是相互吸引的

00:10:38.890 --> 00:10:42.250
電子被原子核吸引

00:10:42.260 --> 00:10:45.260
另外 電子還擁有快得難以置信的速度

00:10:45.280 --> 00:10:48.520
這對於我們初學者來說也是很難理解的

00:10:48.540 --> 00:10:52.410
要講電子在做怎樣的運動的話

00:10:52.430 --> 00:10:55.510
得扯到很深的物理知識――不過已經足夠了

00:10:55.530 --> 00:10:58.040
知道它在原子和周圍亂跳就足夠啦

00:10:58.060 --> 00:11:00.740
因爲它們不想被原子核吸進去

00:11:00.770 --> 00:11:03.110
我想這是一種解釋方法

00:11:03.130 --> 00:11:08.340
另外 我剛剛提到了碳12

00:11:08.370 --> 00:11:10.040
元素種類由質子數決定

00:11:10.060 --> 00:11:12.600
氧由有8個質子決定

00:11:12.630 --> 00:11:16.530
不過再次提醒 電子也會相互作用

00:11:16.560 --> 00:11:18.980
它們也有可能被其它原子拐走

00:11:19.000 --> 00:11:23.090
這實際上構成了大部分的化學理論

00:11:23.120 --> 00:11:26.250
例如一個原子有多少個電子

00:11:26.270 --> 00:11:27.850
或是某種元素有多少個電子

00:11:27.880 --> 00:11:29.600
以及這些電子的排列方式

00:11:29.620 --> 00:11:34.070
以及其他元素的電子的排列方式

00:11:34.090 --> 00:11:36.250
或者這種元素的其他原子

00:11:36.280 --> 00:11:41.220
由此我們可以推測 一種元素的一個原子

00:11:41.240 --> 00:11:43.260
可以怎麽和同種元素的其他原子反應

00:11:43.280 --> 00:11:47.090
或者一種元素的一個原子 是怎麽反應的

00:11:47.100 --> 00:11:49.870
或者它怎麽被制限、遊離、被吸引

00:11:49.900 --> 00:11:52.300
或排斥另一種元素的另一個原子

00:11:52.320 --> 00:11:55.840
我們在以後也會學到更多這方面的知識

00:11:55.860 --> 00:11:59.730
舉個例子 在某個地方的另一個原子

00:11:59.760 --> 00:12:02.820
因爲某種原因

00:12:02.840 --> 00:12:05.370
可能一下子就把碳原子的電子給拐走了

00:12:05.390 --> 00:12:10.740
我們將會談論某些元素的中性原子

00:12:10.760 --> 00:12:13.990
它相對其他元素的中性原子對電子有更大的親合力

00:12:14.020 --> 00:12:16.880
所以 也許就是其中一個這樣的原子從碳原子裏奪走了一個電子

00:12:16.900 --> 00:12:21.490
那麽這個碳的電子數就會少於它的質子數

00:12:21.510 --> 00:12:25.090
也就是有5個電子6個質子

00:12:25.110 --> 00:12:27.820
然後就會帶1個正電荷

00:12:27.840 --> 00:12:30.340
所以在這個碳12裏 我最初畫的這個碳原子

00:12:30.360 --> 00:12:34.140
有6個質子、6個電子 電荷正好抵消了

00:12:34.160 --> 00:12:36.990
如果我失去1個電子 那麽只有5個電子

00:12:37.010 --> 00:12:38.990
那麽它就會有1個正電荷

00:12:39.010 --> 00:12:41.660
在整個化學課程中

00:12:41.680 --> 00:12:43.160
我們還會談論到更多有關這些的知識

00:12:43.180 --> 00:12:44.500
不過很高興

00:12:44.520 --> 00:12:47.800
這些知識已經開始變得相當有趣

00:12:47.820 --> 00:12:52.990
我們已經講到了 作爲基本單位的原子

00:12:53.010 --> 00:12:55.720
竟然是由更小的粒子組成的

00:12:55.740 --> 00:12:58.610
是由更小的粒子組成的

00:12:58.630 --> 00:13:01.170
這些東西都可以互相交換

00:13:01.190 --> 00:13:05.070
改變一個原子的特性 甚至從一種元素的一個原子

00:13:05.090 --> 00:13:07.460
變成另一種元素的另一個原子