¡Hola, soy Hank Green! Bienvenido a Crash Course Chemistry. La última vez que lo dejamos con Mendeleev creyendo que había descubierto un realidad cósmica, mística sobre el mundo, pero de hecho había descubierto los efectos de su peor enemigo: diminuto partículas invisibles. Electrones, que son tan maravillosos y peculiares que no fue hasta 80 años después de la primera tabla periódica de Mendeleiev que realmente fueron entendidos por cualquiera y hasta el día de hoy todavía muy, muy poca gente los entiende. Pero en unos 10 minutos a partir de ahora, si todo va según el plan, será una de esas personas. Así que hagamos esto. [Tema musical] En 1865, antes de que Mendeleev publicara su primera tabla periódica, joven químico y activista, John Newlands publicó un artículo sobre la periodicidad de los elementos, comparando su repetición, al menos las dos primeras filas, con una escala musical. All do re me fa so la ti do y esas cosas. Tal vez, teorizó, el litio era solo sodio pero una octava más alto. Tal vez fueran, en cierto sentido, la misma nota. Entregó esta idea a la Royal Academy, la más prestigiosa grupo de científicos del mundo, y básicamente se rieron de él fuera del escenario. "La música es arte y la química es ciencia. Ahora describir la ciencia de una manera artística podría ser un buen salón truco para ayudar poco los bebés o las mujeres entienden el trabajo que haces pero no tienen cabida en la Real Academia ". Esa es mi impresión. Pero no había forma de saber, por supuesto, que resulta que John Nuevas tierras, cuando se trataba de la realidad física real y funcional detrás de la periodicidad de los elementos, tenía más razón que cualquiera de los científicos que se rieron de él escenario ese día. Y nunca llegó a descubrir qué tan en lo cierto estaba. No descubrimos que sus analogías eran apenas analogías hasta que mucho después de su muerte, pero resulta que la realidad es como una especie de música. Y tal vez quieras sacarme del escenario ahora mismo, pero ten paciencia yo. Antes de la mecánica cuántica, los científicos concibieron el mundo atómico como solo un mundo macroscópico en miniatura. Los electrones parecían ser solo partículas que orbitaban alrededor de un núcleo. De hecho, había un gran danés ... no Nick ... otro tipo de danés ... Niels Bohr, sí. Como algunas otras personas que podría nombrar a veces se sentía como si estuviera a la sombra de sus mayores, más hermano exitoso, futbolista olímpico, mientras que la letra de Niels era tan pobre que tuvo que dictar su doctorado tesis a su mamá Sin embargo, era un físico ingenioso. Ahora, quizás recuerdes un par de episodios atrás, cuando John Dalton determinó que los elementos solo existen en discretos paquetes de materia. Bueno, en la época de Bohr se sabía lo mismo por la energía dada apagado por electrones. Esa energía solo salió en lo que terminó siendo llamado "cuantos" que es la raíz del término "mecánica cuántica". En 1913, Niels Bohr ideó un modelo simple para describir estos niveles de energía para un solo electrón en hidrógeno simplemente asumiendo órbitas circulares. Así que hay algo de verdad en el marco de pensar de los electrones como partículas. Sin embargo, cuando él o cualquier otra persona intentó aplicar esto a más átomos complicados, fallaron miserablemente. En pocas palabras, los electrones no se comportan realmente como partículas; se describen mejor como ondas. Así que sabemos desde hace cincuenta años que este es un forma inexacta de visualizar un átomo. Núcleos, sí, puedes pensar en ellos como partículas sólidas pero no electrones. Los electrones son dualidades onda-partícula. Pienso en ellos como resonancia en el universo. Y al igual que una sola cuerda que produce varias notas en una guitarra, un electrón puede existir en varios armónicos diferentes. Esto tampoco es una analogía, los físicos cuánticos en realidad hablan los armónicos de los electrones. Después de algunos años de intentar resolver estas cosas, Un par de físicos muy inteligentes comenzaron a considerar los electrones como ondas, ondas estacionarias. Esto tiene mucho sentido, incluso para nosotros los laicos. Cuando balancea un acorde telefónico en línea recta, hay un números discretos de nodos, dependiendo de la tensión y la frecuencia, o en mejor física términos, "energía", pones en el sistema. Lo mismo le sucede a un electrón alrededor de un núcleo; una onda estacionaria se produce solo a ciertos niveles de energía. No se permite nada intermedio. Un físico austriaco, Erwin Schrodinger, de quien quizás hayas oído hablar por su gato, es el primer tipo que desarrolló un modelo matemático donde el Se supuso que el electrón era una onda estacionaria. Ahora es el momento de entrar un poco en el ámbito de la metáfora. porque te voy a decir como pienso, como pienso en electron conchas y orbitales, no realmente como son. La música de los electrones no es simple música. No es un acorde de tres canción; es como Beethoven pero con más reglas, reglas estrictas que no pueden estar quebrado. De esa manera, al menos, es más ciencia que arte. Los electrones existen en los orbitales un poco como las notas individuales en un teclado. Pero el tono del orbital no está completo hasta que tiene dos electrones en él, y los orbitales existen en conchas. La primera capa solo tiene un orbital único, un orbital s, que puede solo caben dos electrones. Es por eso que la fila de nuestra tabla periódica solo tiene dos elementos. Tocan una canción simple esos dos y una canción que todos los demás elementos se basará en. La segunda capa de electrones es físicamente más grande y, por lo tanto, puede incluir más que solo el orbital s. Un segundo tipo de orbital con tres configuraciones diferentes es agregado, el p-orbital. En lugar de ser un solo tono, el orbital p es más como un 3 armonía parcial con 2 electrones en cada parte para un total de 6. Esos 6 electrones del orbital p más los 2 electrones s son los ocho electrones mencionados en la regla del octeto: el deseo de que la mayoría de los elementos más ligeros tengan 8 electrones en su capa exterior, como una escala musical. Esto a menudo se describe en términos de plenitud o saciedad, como si el los átomos están devorando electrones. Pero prefiero pensar en una configuración electrónica incompleta como una sinfonía cacofónica tocando en diferentes tonos y en diferentes tempos. Y cuanto más cerca estás de la armonía, peor es, hasta que un final la nota suena, esa octava nota y todo se convierte en resolución completa en un tono profundo y complejo emerge, y el átomo se instala en completa armonía, la armonía del noble gases. Así es como lo pienso. Y al igual que con la música, hay un poco de notación para aprender bien. Es importante saber cómo escribir lo que llamamos "electrón configuraciones, " una forma condensada de mostrar exactamente dónde todos los átomos de electrones son. Primero, escribimos el número del caparazón, luego la letra del orbital, entonces el número de electrones en ese orbital, y repetimos hasta que nos quedemos sin electrones. Entonces, para el hidrógeno, con un solo electrón es 1s1. Para el flúor es 1s2 2s2 2p5. Ahora que pasamos a la tercera fila, sucede algo interesante; la tercera capa agrega un tercer tipo de orbital: la armonía de cinco partes, con diez electrones, del orbital d. Pero podría estar diciendo: "Todavía hay solo ocho elementos en el tercera fila. ¿Qué pasa con eso, Hank? ¡Son todas mentiras, me voy! " Está bien, cálmate, la sinfonía atómica se compone de formas peculiares. Dado que construir el orbital 3d requiere mucha energía, los electrones entran en el orbital s de la cuarta capa, 4s, antes de entrar en el orbital d de la tercera capa. En realidad, esta es una tendencia que continúa, y para recordarla simplemente escriba lo siguiente en una hoja de papel: estos son los orbitales que conocemos y todas las conchas que hemos visto existe. Para averiguar en qué orden llenarlos, simplemente dibuje una diagonal línea desde la parte superior derecha hasta la parte inferior izquierda a medida que avanza. Entonces 1s primero, luego 2s, luego 2p 3s, luego 3p 4s, 3d 4p 5s, 4d 5p 6s, y así. Armado con este conocimiento, podrías escribir el electrón configuración para prácticamente cualquier elemento de la mesa. Hierro, número veintiséis, sería 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6. Ahora hay un par de elementos que tienen capas de electrones extrañas, pero puedes buscarlo en Google. Algo interesante sobre los orbitales d, y aún más grande, más orbitales f ricos en electrones, es que realmente no necesitan llenarse tanto como las s y PD, porque están literalmente protegidos debajo de los orbitales s del siguiente caparazón. Creo que los orbitales sy p son como las trompetas y los violines: es realmente terrible cuando suenan mal pero las notas de fondo, profundas y ricas, se esconden un poco debajo del resto de la Orquesta, al igual que los orbitales d se esconden literalmente debajo de los orbitales s que ya se han llenado por encima de ellos. Sí, estos orbitales incompletos los afectan, pero debido a que están protegidos, estos elementos centrales del gráfico son generalmente menos reactivo y más feliz de llevar electrones de átomo a átomo haciéndolos conductivo, o simplemente pasar el rato juntos en grandes masas de bultos que comparten electrones de metal. Entonces, ¿por qué son útiles los orbitales cuando se trata de comprender cómo es probable que reaccione el átomo? Bueno, primero, realmente importa cuánta energía se requiere para eliminar un electrón de un átomo para formar un ion cargado positivamente. Esta energía se llama "energía de ionización". Si se eliminan varios electrones, esto es un paso a paso. proceso, comenzando con el electrón en el nivel de energía más alto, o el el más externo. Dado que el electrón más externo tiene la energía más alta, existe el mínima energía necesaria para eliminarlo. Se necesita más energía para eliminar el segundo más alejado y así en. Y, por supuesto, cuando todos los electrones de la capa más externa son remoto hay un salto de energía realmente grande necesario para eliminar un electrón desde el próximo caparazón hacia abajo porque esa capa será isoeléctricamente análoga a un gas noble. Al igual que los átomos son isotópicamente iguales cuando tienen la mismo número de protones y neutrones, Los átomos son isoeléctricamente iguales cuando tienen el mismo número de electrones. Y al igual que hay energía asociada con la eliminación de un electrón para Forman cationes, o iones cargados positivamente, hay energía asociada con la adición de electrones, generalmente para llenar un orbital para lograr una estabilidad de dos u ocho electrones configuración de shell. Al igual que con la energía de ionización, hay un salto de energía discreto involucrado con la adición de un electrón. Esa energía se llama "afinidad electrónica". Ahora, ¿estás listo para el verdadero fusor mental? Si estas siguiendo en tu tabla periódica, que por supuesto que no eres, es posible que haya notado algo interesante. En el lado izquierdo tiene sus orbitales s: uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete s. En el medio, tienes tus d: 3d, 4d, 5d, 6d. Y en la parte superior derecha, 2p, 3p, 4p, 5p, 6p. Y abajo, por supuesto, en la pequeña isla de los lantánidos y actínidos, sus orbitales f: 4f y 5f. Y así, con solo echar un vistazo a su tabla periódica, puede calcular configuraciones electrónicas y estabilidad elemental y la realidad física fundamental de la elementos. Por eso esta cosa es tan hermosa para mi porque cuando lo conoces, ves todas esas imperfecciones que compiten armonías, y las acciones y reacciones que se producen a causa de ellas, cambiando su canción en algo más estable y poderoso y eternos juntos, haciendo todo. Ahora que he pasado por el episodio de hoy, he descrito electrones principalmente en términos musicales como ondas vibratorias, armonías en el tejido del universo y así es, de hecho, como yo me gusta pensar en ellos, pero, por supuesto, esa no es una historia completa. Y me he cansado de que la gente me diga que el cerebro humano está incapaz de imaginar la realidad de lo subatómico. Así que en realidad solo voy a servir una gran pila de realidad en usted ahora mismo no importa lo extraño que resulte ser. Hay una serie de campos que penetran por todas partes en nuestro universo. Uno de ellos es el campo de electrones. Para que exista un electrón, tiene que haber una excitación de el campo de electrones y podemos describir esas excitaciones como ondas, como una onda en el océano es una excitación del agua. En cualquier momento dado, el electrón puede estar en cualquier lugar dentro del función de la onda. Pero las olas no se definen por límites estrictos, sino que son fuerte en algunas áreas y débil en otras. La fuerza de la onda en un punto determinado del espacio determina qué tan probable es que encuentre un electrón allí en cualquier momento dado tiempo si mides. Entonces, si estamos tratando de comprender la realidad, No debemos pensar en los electrones como girando alrededor del núcleo de un átomo, como planetas alrededor de una estrella, sino como una excitación alrededor del núcleo, y la forma de esa excitación es el orbital. Los orbitales son precisamente la razón por la que todo existe. Son la raíz, la clave, el nexo, el quid y el piedra clave, y cualquier otra metáfora no solo de la química sino de la existencia. Gracias por ver este episodio de Crash Course Chemistry. yo Espero que te haya dejado boquiabierto. Si estaba prestando atención, ahora sabe acerca de un pobre joven que se rió de una reunión de científicos engreídos por ser mucho más correctos entonces cualquiera podría haberlo imaginado. Acerca de un gran danés cuyo modelo incorrecto del átomo era bastante increíble de todos modos. Acerca de los electrones como música, y las capas de electrones y los orbitales que Contiene. Cómo escribir configuraciones electrónicas, qué energías de ionización y las afinidades electrónicas son, y cómo la tabla periódica une todas estas realidades. Y con todo ese conocimiento ahora en tu cabeza, sabes más entonces 99,9% del mundo sobre electrones. Este episodio de Crash Course Chemistry fue escrito por mí mismo, filmado y dirigido por Michael Aranda, quien también es nuestro sonido diseñador y editado por Nick Jenkins. El guión fue editado por Blake de Pastino y Dr. Heiko Langner. Katherine Green fue nuestra supervisora ​​de guiones y nuestro equipo de gráficos Thought Cafe.