Prvky a atomy

Lidé již tisíce let jen na základě pozorování okolního prostředí vědí, že existují různé látky. A tyto látky mají různé vlastnosti. Nejenom že mají různé vlastnosti. Některé odráží světlo a jiné ne. Můžou mít také určitou barvu nebo teplotu, můžou být kapalné, plynné nebo pevné. Zároveň jsme si začali všímat, jak spolu reagují v daných podmínkách. Tady mám obrázky některých látek. Nalevo je uhlík v podobě grafitu. Napravo je olovo a dole zlato. A tyhle všechny obrázky jsou z webové stránky napsané nahoře. Všechno to jsou pevné látky, ale zároveň nám může připadat, že to vypadá, jako by v nich byl vzduch, něco jako částice vzduchu. Podle toho, na jaký typ částic se díváme, ať už jde o oxid uhličitý, kyslík nebo dusík, mají tyto částice různé vlastnosti. Existují také tekuté látky. Navíc, pokud dostatečně zvýšíme teplotu, pokud dostatečně zahřejeme například zlato či olovo, stane se z nich kapalina. Nebo například, když spálíte tento uhlík, přeměníte ho na plyn a uvolní se do okolí, můžete změnit jeho strukturu Toto jsou všechno látky, které lidstvo zná již tisíce let. To však přirozeně vede k otázce, která kdysi bývala filozofickou, ale nyní už známe trochu lepší odpověď. Tou otázkou je, jestli při lámání toho uhlíku na menší a menší kousky, existuje nějaký nejmenší kousek, jakási nejmenší část této látky která má stále ještě vlastnosti uhlíku? A kdyby se vám povedlo rozdělit ji i poté ztratily by se vlastnosti uhlíku? A odpovědí je: existuje. Řekněme si něco k terminologii. Čistým látkám, které mají specifické vlastnosti při určitých teplotách a reagují určitým způsobem, říkáme prvky. Uhlík, olovo i zlato jsou prvky. Voda ale prvkem není. Dříve si to lidé mysleli, ale teď už víme, že se voda skládá z více základních prvků. Skládá se z kyslíku a vodíku. Všechny prvky jsou uvedeny v takzvané periodické tabulce prvků. C značí uhlík, teď zmiňuji ty, které jsou důležité pro lidstvo. Časem se ale seznámíme téměř se všemi. Tohle je kyslík, dusík, tohle křemík. Au značí zlato. Tady máme olovo. A té nejzákladnější části každého prvku říkáme atom. Takže kdybyste tento uhlík stále dělili a získávali menší a menší kousky, nakonec dojdete k atomu uhlíku. Udělejte to samé tady a dostanete se k atomu zlata. Udělejte to znovu i tady a nakonec nám zbyde některá z těchto malých částeček, kterou nazýváme atom olova. Není možné tuto částečku dál dělit, aniž by přestala být olovem, aniž by přestala mít vlastnosti olova. A jen pro představu, je to něco, co si umím opravdu jen těžko představit. To, že atomy jsou neuvěřitelně malé. Nepředstavitelně malinkaté. Tak například uhlík. Mé vlasy jsou také z uhlíku. Ve skutečnosti většina mého těla je z uhlíku. Dokonce většina všech živých tvorů je z uhlíku. A tak kdybyste vzali můj vlas, který je z uhlíku. Můj vlas je převážně z uhlíku. Takže pokud se na něj podíváte, nemám sice žluté vlasy, ale chci, aby to bylo vidět. Mám černé vlasy, ale to by tu už vůbec nebylo vidět. Takže tu máme můj vlas a já se ptám: "Kolik atomů uhlíku má můj vlas na šířku?" Pokud tedy vezmete průřez mého vlasu, ne délku, ale šířku vlasu a řeknu vám: "Kolik atomů uhlíku se tam na šířku vejde?" Mohli byste hádat: Sal už mi řekl, že jsou velmi malé, tedy možná je to tisíc atomů uhlíku, nebo deset tisíc, sto tisíc, a já bych řekl: "Ne! Je to jeden milion atomů uhlíku." Jinými slovy, mohli byste za sebou naskládat milion atomů uhlíku napříč průměrným lidským vlasem. A to je samozřejmě jen přibližně, není to přesně jeden milion, ale dává nám to představu, jak malý atom je. Vytrhněte si jeden vlas a představte si to, dát milion věcí vedle sebe na šířku vlasu, ne podél, ale napříč vlasem. Pouhou šířku vlasu je těžké si představit. A do té se ještě vejde milion atomů uhlíku. Odteď, což je hodně dobré, víme, že existuje tento základní stavební kámen uhlíku, ale nejenom toho, platí to pro jakýkoliv prvek. A co je ještě lepší, tyto základní stavební kameny spolu vzájemně souvisí. Atom uhlíku lze rozdělit na ještě více elementární částice. Stejně tak i atom zlata. Definice každého atomu závisí na uspořádání těchto elementárních částic. Pokud změníte počet těchto částic, můžou se změnit i vlastnosti prvku, jeho reaktivita, nebo se dokonce změní prvek samotný. A jen abyste tomu trochu lépe porozuměli, pojďme si o těchto elementárních částicích něco říct. Takže máte proton. A počet protonů v jádře atomu je to, co určuje protonové číslo atomu. O jádru budu mluvit později. A to je to, co určuje prvek. Tedy tohle je to, co určuje prvek. Když se podíváte na periodickou tabulku, prvky tam jsou seřazené podle atomového čísla. A atomové číslo není nic jiného než počet protonů v prvku. Tedy podle definice, vodík má jeden proton. Helium má dva a uhlík šest protonů. Neexistuje uhlík se sedmi protony. To už je potom dusík, ne uhlík. Už by to nebyl uhlík. Kyslík má osm protonů. Kdybyste sem nějak přidali další proton, už by to nebyl kyslík, byl by to fluor. Takže takto definujeme prvek. Určuje nám to, o jaký prvek se jedná. A atomové číslo neboli protonové číslo, počet protonů, nezapomeňte, že se jedná o to číslo napsané tady nahoře u každého z těchto prvků v periodické tabulce Protonové číslo je rovné atomovému číslu. Rovná se atomovému číslu. Toto číslo se píše nahoru proto, že jde o určující rys prvku. Další dvě složky atomu, myslím, že jim tak můžeme říkat, jsou elektron a neutron. Model, který je dobré si vytvořit v hlavě, bude, jak uvidíme i dále při probírání chemie, trochu abstraktnější a opravdu těžko pochopitelný. Jedním ze způsobů, jak ho vnímat, je si představit protony a neutrony, které tvoří střed atomu. Tomu říkáme atomové jádro. Tak například uhlík, jak víme, má šest protonů. Jeden, dva, tři, čtyři, pět, šest. Uhlík 12, což je typ uhlíku má zároveň šest neutronů. Existují typy uhlíků, které mají počet neutronů jiný. Můžeme měnit počet neutronů, nebo elektronů, a prvek se nemusí změnit Pro protony to však neplatí. Změníte-li počet protonů, získáte jiný prvek. Teď nakreslím jádro uhlíku 12. Jeden, dva, tři, čtyři, pět, šest. Tohle tedy je jádro uhlíku 12. A někdy to uvidíte zapsané takto. A někdy se vlastně uvádí také číslo protonů. A důvodem, proč jsme napsali uhlík 12, pamatujete, napočítal jsem šest neutronů, je, že se jedná o celkový počet, můžeme se na to dívat jako na celkový počet, ...je to jeden z možných pohledů, a budeme to ještě probírat později... ...je, že se jedná o celkový počet protonů a neutronů v jádře. A tento uhlík má podle definice atomové číslo šest, ale můžeme to tu přepsat jen proto, abychom to nezapomněli. Takže ve středu atomu uhlíku máme toto jádro. A uhlík 12 má šest protonů a šest neutronů. Jiná verze uhlíku, uhlík 14, má stále šest protonů, ale má už osm neutronů. Počet neutronů tedy můžeme měnit, ale teď se zabýváme uhlíkem 12. A jestliže uhlík 12 je neutrální, což ještě vysvětlím, pokud je neutrální, bude mít také šest elektronů. Nakreslím tu těchto šest elektronů. Jedna, dva, tři, čtyři, pět, šest. A jeden ze způsobů, který je zároveň asi nejdůležitějším, jak přemýšlet o vztahu mezi elektrony a jádrem spočívá v představě, že se elektrony jakoby pohybují kolem, poletují kolem tohoto jádra. Lze o tom přemýšlet tak, že elektrony obíhají kolem jádra, ale to není úplně správně. Neobíhají tak jako třeba planety obíhají kolem Slunce. Tato představa je ale dobrým výchozím bodem. Jiný úhel pohledu je představa poskakujících nebo poletujících elektronů kolem jádra. A to je zkrátka jen proto, že realita je na této úrovni jiná. Řekneme si něco o kvantové fyzice, abychom opravdu porozuměli, co elektron dělá. Ale první model ve vaší hlavě je, že ve středu tohoto atomu uhlíku 12, máte toto jádro. Máte toto jádro, přímo tady. A tyto elektrony poskakují kolem tohoto jádra. A důvod, proč tyto elektrony jen neodletí pryč od tohoto jádra, proč jsou s tímto jádrem jakoby svázané, a tvoří část tohoto atomu, je, že protony mají kladný náboj. A elektrony mají záporný náboj. A to je jedna vlastností těchto elementárních částic. Když začnete přemýšlet o tom, co je vlastně náboj, začne to být docela složité. Ale víme, když mluvíme o elektromagnetické síle, že opačné náboje se přitahují. Jak o tom tedy nejlépe přemýšlet: Protony a elektrony mají odlišné náboje, a proto se vzájemně přitahují. Neutrony jsou neutrální, takže ty vlastně jen sedí tady uvnitř jádra a ovlivňují vlastnosti atomů určitých prvků. Ale důvod, proč elektrony jen tak samy neodletí, je ten, že jsou přitahovány. Jsou přitahovány směrem k jádru. A také se neuvěřitelně rychle pohybují, je to opravdu těžké pro představivost, opět se začínáme dotýkat velice zvláštní části fyziky. Jakmile začneme mluvit o tom, co elektron vlastně dělá ale má dost… můžeme říci, že dost poskakuje kolem že nechce spadnout do jádra, To je jeden způsob nahlížení. A tak, zmínil jsem tedy uhlík 12, definovaný počtem protonů. Kyslík by byl definovaný tím, že má osm protonů. Ale ještě jednou, elektrony na sebe mohou vzájemně působit. Také mohou být odebrány jinými atomy. A to ve skutečnosti tvoří velkou část našeho chápání chemie. Je založena na tom, kolik elektronů má atom nebo určitý prvek. A jakou mají tyto elektrony konfiguraci, a jakou konfiguraci mají elektrony jiných prvků, nebo možná jiných atomů téhož prvku. Můžeme začít předvídat, jak může atom jednoho prvku reagovat s jiným atomem stejného prvku. Nebo jak může atom jednoho prvku reagovat nebo se vázat, či nevázat, přitahovat, nebo odpuzovat další atom jiného prvku. Tak například, a o tom si ještě povíme víc později. Je možné, aby si nějaký jiný atom vzal elektron z uhlíku, jen proto, že z jakéhosi důvodu a povíme si o určitých neutrálních atomech jistých prvků, které mají větší elektronovou afinitu než jiné. Tedy jeden z takových atomů si vezme elektron z uhlíku, a pak tento uhlík bude mít méně elektronů než protonů, tedy budeme mít 5 elektronů a 6 protonů. A vznikne nám kladný náboj. V tomto uhlíku 12, který jsem nakreslil dříve, jsem měl 6 protonů, 6 elektronů a náboje se vyrušily. Když ztratím elektron, zbyde jich jen pět, a získám kladný náboj. A o tomhle všem si povíme mnohem víc v celé osnově chemie. Ale doufám, že oceníte jak už teď to začíná být fascinující. Už se umíme dostat k tomu základnímu stavebnímu kameni zvanému atom. A co je ještě lepší, tento základní stavební kámen je navíc postaven z ještě základnějších stavebních kamenů. A tyhle všechny věci mohou být změněny, aby změnily vlastnosti atomu, nebo dokonce typ celého atomu.