Elemek és atomok

Mi, emberek évezredek óta tudjuk, akár csak ha a saját környezetünkben is körülnézünk, hogy sokféle anyag létezik. A különféle anyagoknak pedig többnyire eltérőek a tulajdonságaik. Nem csak a tulajdonságaik különböznek, például az egyik visszaveri a fényt, a másik nem, vagy különböző a színük, vagy egy adott hőmérsékleten lehetnek folyadékok, gázok vagy szilárd anyagok. De azt is megfigyelhetjük, hogy adott körülmények között miképpen reagálnak egymással. Íme néhány anyag képe. Ez itt szén, grafit alakjában, ez itt ólom, ez pedig az arany. Az összes itt bemutatott anyag képe erről a weboldalról származik. Ezek mind szilárd halmazállapotúak, de tudjuk, hogy vannak légnemű anyagok is, gáz állapotú részecskék. Attól függően, hogy miféle gáz állapotú anyag részecskéit figyeljük meg – legyen ez akár szén, oxigén, vagy nitrogén –, szintén különböznek a tulajdonságaik. Más anyagok folyékonyak, akár ezek is, ha elég magas a hőmérsékletük. Kellően magas hőmérsékleten az arany és az ólom is cseppfolyósítható. Vagy ha elégeted ezt a széndarabot, gáz halmazállapotúvá teheted, és kiengedheted a légkörbe. Megbonthatod a szerkezetét. Mindezt az emberiség évezredek óta megfigyelte. Ebből viszont magától felvetődik egy kérdés, amely régebben filozófiai kérdés volt, de ma már kicsit jobban meg tudjuk magyarázni. A kérdés: ha tovább bontjuk ezt a széndarabot, egyre kisebb részekre, létezik-e legkisebb rész? Van-e olyan legkisebb egysége ennek az anyagnak, ami még mindig rendelkezik a szén tulajdonságaival? És ha azt még tovább tudnád bontani, akkor vajon elveszítené-e a szén jellegét? A válasz az, hogy van. Ismerjük meg a szakkifejezést: ezeket a különféle tiszta anyagokat, amik jellemző tulajdonságokkal bírnak adott hőmérsékleten, és jellegzetes módon reagálnak, elemeknek hívjuk. A szén, az ólom és az arany is elem. Mondhatnád, hogy a víz is elem. Régebben a vizet is elemnek tekintették, de ma már tudjuk, hogy a víz több alapelemből épül fel: oxigénből és hidrogénből. Az elemek mind megtalálhatók az elemek periódusos rendszerében. A C a szén jele. Csak azokat említem, amelyek fontosak az emberiség számára, de idővel talán majd mindet megismered. Ez az oxigén. Ez a nitrogén. Ez a szilícium. Ez az Au, az arany. Ez az ólom. Az elemek legalapvetőbb építőeleme az atom. Egyre mélyebbre hatolva, egyre kisebb darabokat vizsgálva, eljuthatunk egyetlen szénatomig. Ugyanezt megtehetjük ezzel is, és eljutunk az aranyatomig. Ebben az esetben ugyanígy eljutsz olyan apró – jobb szó híján – részecskéig, amit ólomatomnak hívunk. Ez már nem bontható tovább úgy, hogy továbbra is ólomnak nevezhessük, hogy megőrizze az ólomra jellemző tulajdonságait. Csak hogy el tudd képzelni – ez nekem eléggé nehezen megy –, az atomok hihetetlenül aprók. Tényleg hihetetlenül kicsik. Például ott van a szén. A hajam is szénből épül fel, sőt magam is nagyrészt szénből állok. Valójában minden élőlény nagyrészt szénből áll. Ha a hajamat nézzük, az is szén. A hajam jórészt szén. Tehát nézzük a hajamat, ami egyébként nem sárga, de jól elüt a feketétől. A hajam fekete, de ha úgy mutatnám, akkor nem látszana a képernyőn. A hajam kapcsán megkérdezhetnélek, hogy hány szénatomnyi egy hajszálam szélessége. A hajam keresztmetszetét vizsgálva, tehát nem a hosszát, hanem a szélességét nézve vajon hány szénatomnyi a szélessége? Így okoskodhatnál: Sal már említette, hogy az atomok nagyon kicsik, tehát ez lehet akár ezer szénatom, vagy tízezer, sőt százezer. Én erre azt mondanám: nem! Ez itt egymillió szénatom. Egymillió szénatom fér el egy átlagos emberi hajszálon keresztben. Ez persze csak becslés, nem pontosan egymillió, de érzékelteti, hogy milyen kicsi egy atom. Csak húzz ki egy szálat a hajadból, és képzeld el, hogy egymillió atomot teszel egymás mellé a hajszálon keresztbe, nem hosszában, hanem széltében. Még a haj szélességét is alig látjuk, és ekkorka helyen fér el egymillió szénatom. Már önmagában az is nagyon érdekes, amit már tudunk, hogy egyáltalán létezik ilyen alapvető építőeleme a szénnek, illetve bármelyik elemnek. De még ennél is érdekesebb ezeknek az építőelemeknek az egymáshoz való viszonya. A szénatom még kisebb elemi részecskékből áll. Az aranyatom még kisebb elemi részecskékből áll. A tulajdonságaikat ezeknek az elemi részecskéknek az elrendeződése szabja meg. Ha megváltoztatnád a benne lévő elemi részecskék számát, megváltoztathatnád az adott elem tulajdonságait, azt, hogy hogyan reagál, sőt akár magát az elemet is meg tudnád változtatni. Csak hogy egy kicsit érthetőbb legyen, beszéljünk egy kicsit az elemi részecskékről. Tehát létezik a proton. A proton határozza meg, – azaz az atommagban lévő protonok száma, és mindjárt az atommagról is beszélek –, a proton az, ami meghatározza az elemet. Ez határozza meg az elemet. A periódusos rendszerre nézve látszik, hogy az elemek a rendszám alapján vannak sorba rendezve. A rendszám pedig valójában az adott elem protonjainak száma. Így definíció szerint a hidrogénnek 1 protonja van. A héliumnak 2 protonja, a szénnek 6 protonja van. Nem létezik olyan szén, amiben 7 proton van. Ha volna ilyen, akkor az már nitrogén lenne, én nem szén. Az oxigénnek 8 protonja van. Ha valahogy hozzá tudnál adni még egy protont, akkor az már nem oxigén lenne, hanem fluor. Tehát ez határozza meg az elemet. Ez határozza meg az elemet. A rendszám, a protonok száma – és ne feledd, ez a szám látható itt felül minden elem vegyjele fölött a periódusos rendszerben –, a protonok száma egyenlő a rendszámmal. Ide felülre írják, mivel ez az elemek egyik meghatározó jellemzője. Az atom másik két alkotója – így is hívhatjuk őket –, az elektron és a neutron. Gondolatban elkezdhetsz építeni egy modellt, amely a kémiai tanulmányokban előrehaladva egy kissé elvontabb lesz, és egyre nehezebben megfogalmazható, de elképzelhetjük például úgy, hogy a protonok és neutronok vannak az atom központjában. Ők alkotják az atommagot. Például a szénről tudjuk, hogy 6 protonja van. Egy, kettő, három, négy, öt, hat. A szén-12-ben, amely a szén egyik változata, 6 neutron is van. A szénnek különböző változatai lehetnek, amelyekben a neutronok száma különböző. Tehát a neutronszám változhat, az elektronszám változhat, de az elem továbbra is ugyanaz marad. A protonok száma viszont nem változhat. Ha megváltoztatod a protonok számát, akkor egy másik elem jön létre. Hadd rajzoljak egy szén-12 atommagot. Egy, kettő, három, négy, öt, hat. Ez itt tehát a szén-12 atommagja. Néha így írják, néha pedig úgy, hogy protonok számát is feltüntetik. Azért nevezzük szén-12-nek, – 6 neutronnal számoltam –, mert ez az összege... úgy vehetjük, hogy ez az összege... – az egyik megközelítésben, amin később még finomítunk –, ez az összege a protonok és neutronok számának az atommagban. Definíció szerint a szén rendszáma 6. Fel is írhatjuk ide, csak hogy ne felejtsük el. Tehát a szénatom központjában van az atommag. A szén-12-nek 6 protonja és 6 neutronja van. A szén egy másik változata a szén-14, amelynek szintén 6 protonja van, viszont a neutronszáma 8. Tehát a neutronok száma változhat. Ez itt viszont a szén-12. Amennyiben a szén-12 semleges, és mindjárt el is magyarázom, hogy ez mit jelent, ha semleges, akkor elektronokból is 6-ot tartalmaz. Hadd rajzoljam le ezt a 6 elektront. Egy, kettő, három, négy, öt, hat. Az egyik, talán a legegyszerűbb elképzelés az elektronok és az atommag kapcsolatáról az, hogy az elektronok körbe-körbe táncolnak az atommag körül. Az egyik modell alapján úgy képzelhetjük el, hogy keringenek a mag körül, de ez nem teljesen igaz. Nem úgy keringenek, mint ahogyan az égitestek keringenek a Nap körül, de kiindulásnak ez is jó. Úgy is elképzelhető, hogy ugrálnak, nyüzsögnek az atommag körül. Azért így magyarázzuk, mert a valóság igen különössé válik ezen a szinten, és csak a kvantumfizika segítségével érhetnénk meg, hogy valójában mit is csinálnak az elektronok. De a legegyszerűbben elképzelhető modell szerint a szén-12 atom közepén ott van az atommag, és ezek az elektronok ott ugrálnak körülötte. Megvan az oka annak, hogy ezek az elektronok miért nem repülnek világgá, miért kötődnek ehhez az atommaghoz, és miért képezik az atom részét. Az ok az, hogy a protonok töltése pozitív, az elektronok töltése pedig negatív. Ez az egyik jellemzője ezeknek az elemi részecskéknek. Ha azon kezdünk gondolkodni, hogy a töltés mitől több, mint puszta jel, akkor mélyebbre kell, hogy ássunk. Amit mindenképp tudunk az elektromágneses erővel kapcsolatban, az az, hogy az ellentétes töltések vonzzák egymást. A legkönnyebben tehát így képzelhetjük el: a protonok és elektronok, mivel ellentétes töltésűek, vonzzák egymást. A neutronok semlegesek, tehát csak ott ülnek az atommagban, bár valamilyen szinten ezek is befolyásolják a tulajdonságokat egyes elemek egyes atomjai esetén. Az ok azonban, amiért az elektronok nem repülnek el csak úgy, az az, hogy vonzás hat rájuk. Vonzza őket az atommag. A sebességük is elképzelhetetlenül nagy. Nehéz elképzelni. Megint a fizika egyik nagyon furcsa területét érintjük, amint arról kezdünk beszélni, hogy mit is csinál az elektron. De elég... mondhatnánk úgy is, hogy körös-körül ugrál, nem akar csak úgy belezuhanni az atommagba. Tehát így is el lehet képzelni. Említettem tehát, hogy a szén-12-t a protonok száma határozza meg. Az oxigént a 8 protonja határozza meg. De ismétlem, az elektronok kölcsönhatásba léphetnek más elektronokkal, elragadhatják őket más atomok. Kémiai ismereteink nagy része azon alapul, hogy hány elektronja van egy adott atomnak vagy egy adott elemnek, és ezek az elektronok hogyan helyezkednek el, vagy más elemek elektronjai hogyan helyezkednek el, vagy esetleg ugyanazon elem többi atomjai... Megjósolhatjuk, hogy egy elem atomja hogyan lép kölcsönhatásba ugyanazon elemnek egy másik atomjával, vagy egy elem atomja hogyan reagál, hogyan köti, vonzza vagy taszítja egy másik elem atomját. Így például – erről később sokkal többet fogunk tanulni – előfordul, hogy egy másik atom elektront vesz el a széntől, pusztán amiatt, mert valamilyen okból bizonyos elemek semleges atomjainak nagyobb az elektronaffinitása, mint másoké. Ezek közül valamelyik elvehet egy elektront a széntől, és így a szénnek kevesebb elektronja lesz, mint protonja. 5 elektronja lesz és 6 protonja, így egy pozitív töltésre tesz szert. A szén-12-ben, amiről legelőször beszéltem, 6 proton és 6 elektron volt, a töltések kiegyenlítették egymást. Ha elveszít egy elektront, akkor csak 5 marad, ami összesítve egy pozitív töltést jelent. Erről jóval többet fogunk még beszélni a kémiás videókban, de remélhetőleg már belátod, hogy ez mennyire izgalmas téma. Eljutottunk az alapvető építőegységekig, amelyeket atomoknak nevezünk. Ami még ennél is szebb, hogy ezek az alapvető építőegységek még alapvetőbb építőegységekből épülnek fel. Ezek az egységek cserélődhetnek, és megváltoztathatják az atomok jellemzőit, vagy akár átjuthatnak az adott elem egy atomjáról egy másik elem atomjára is.