
English: 
Think about this. The visible universe consists
mostly of less than 100 naturally occurring
elements. Yet there is immense diversity and
complexity reflected in not only the myriad
of substances that can be found in the universe,
but also substances that can be found within
your own body.
How is it that we can have a near boundless
number of chemical substances with only about 100
relatively simple building blocks, called
atoms, to work with? This is because the
naturally occurring atoms are rarely found
alone.
They are mostly found in combinations with
other atoms, through the process of chemical
bonding. The combinations of chemicals and
material that can be built with these various
combinations is so vast, that it can give
rise not only to the variety of phenomena
that we can observe in the universe, but also
the complexity required to create life, fuel
for the energy we need, consciousness that
we enjoy, and every other macro scale process
that affects us?
Why is the universe
not full of just about 100 different types

Italian: 
 Pensaci. L'universo visibile è costituito principalmente da meno di 100 presenti in natura 
 elementi. Eppure c'è un'immensa diversità e complessità riflesse non solo nella miriade 
 di sostanze che possono essere trovate nell'universo, ma anche sostanze che possono essere trovate all'interno 
 il tuo corpo. 
 Com'è possibile che possiamo avere un numero quasi illimitato di sostanze chimiche con solo circa 100 
 blocchi di costruzione relativamente semplici, chiamati atomi, con cui lavorare? Questo perché il 
 gli atomi presenti in natura si trovano raramente da soli. 
 Si trovano principalmente in combinazione con altri atomi, attraverso il processo di chimica 
 legame. Le combinazioni di sostanze chimiche e materiale che possono essere costruite con queste varie 
 le combinazioni sono così vaste, che può dar luogo non solo alla varietà dei fenomeni 
 che possiamo osservare nell'universo, ma anche la complessità necessaria per creare vita, carburante 
 per l'energia di cui abbiamo bisogno, la coscienza di cui godiamo e ogni altro processo su scala macro 
 che ci riguarda? 
 Perché l'universo non è pieno di circa 100 tipi diversi 

Italian: 
 di atomi che fluttuano in un mare di monotonia opaca? 
 Fortunatamente noi, che questi atomi si legano insieme per formare sostanze chimiche ricche che hanno proprietà fondamentalmente 
 diverso dagli atomi che li compongono. Perché succede questo? La risposta a questo importante 
 la domanda sta nella comprensione del ruolo che l'energia gioca nella formazione delle molecole, 
 e le sue radici in dove altro, ma la meccanica quantistica. Quella spiegazione sta arrivando proprio ora ... 
 Alcune delle sostanze chimiche più importanti per noi, come l'aria che respiriamo, non sono individuali 
 atomi, ma molecole. L'ossigeno, ad esempio, non si trova nell'aria come ossigeno individuale 
 atomi, ma come O2 o due atomi di ossigeno legati insieme. L'azoto si trova anche come N2, due 
 atomi di azoto legati insieme. L'acqua, senza la quale non potremmo sopravvivere, è H2O - due 
 atomi di idrogeno combinati con un atomo di ossigeno. 
 Perché gli atomi sono prevalenti principalmente come molecole? 

English: 
of atoms floating around in a sea of dull
monotony?
Lucky us, that these atoms bond together to
form rich chemicals that have properties fundamentally
different than the atoms comprising them.
Why does this happen? The answer to this important
question lies in understanding the role that
energy plays in the formation of molecules,
and its roots in where else, but quantum mechanics.
That explanation is coming up right now…
Some of the most important chemicals to us
like the air we breathe consists not of individual
atoms, but molecules. Oxygen for example,
is not found in the air as individual oxygen
atoms, but as O2 or two oxygen atoms bound
together. Nitrogen is also found as N2, two
nitrogen atoms bound together. Water, without
which we could not survive, is H2O – two
atoms of hydrogen combined with one oxygen atom.
Why are atoms prevalent mostly as molecules?

English: 
The key to understanding why atoms link together
is energy. All natural systems tend to adopt
a state of lowest energy.
A marble at the top of a hill has high potential
energy due to gravity. If given the opportunity,
it will roll naturally to the bottom of the
hill where it will have a lower potential
energy. This is the same reason a river flows
in one direction, from high ground to lower
ground.
So how does energy play a role in the formation
of molecules? Let’s look at the simplest
atom, hydrogen, which consists of only one
proton and one electron. It is found on earth
usually not as individual atoms of hydrogen,
but in pairs, H2, or hydrogen gas.
By understanding the role of quantum mechanics
in the formation of the hydrogen gas molecule,
we can begin to understand why other atoms
also form molecules in order to adopt a lower
energy state.
A hydrogen atom consists of just one electron
and one proton. As we saw in an earlier video,
the electron forms a cloud around the nucleus.
The shape of this cloud is determined by the

Italian: 
 La chiave per capire perché gli atomi si collegano insieme è l'energia. Tutti i sistemi naturali tendono ad adottare 
 uno stato di energia più bassa. 
 Un marmo in cima a una collina ha un'elevata energia potenziale dovuta alla gravità. Se viene data l'opportunità, 
 rotolerà naturalmente sul fondo della collina dove avrà un potenziale inferiore 
 energia. Questa è la stessa ragione per cui un fiume scorre in una direzione, da un'altura a una più bassa 
 terra. 
 In che modo l'energia gioca un ruolo nella formazione delle molecole? Diamo un'occhiata al più semplice 
 atomo, idrogeno, che consiste di un solo protone e un elettrone. Si trova sulla terra 
 di solito non come singoli atomi di idrogeno, ma a coppie, H2 o idrogeno gassoso. 
 Comprendendo il ruolo della meccanica quantistica nella formazione della molecola di idrogeno gassoso, 
 possiamo cominciare a capire perché anche altri atomi formano molecole per poter adottare un inferiore 
 stato energetico. 
 Un atomo di idrogeno è costituito da un solo elettrone e un protone. Come abbiamo visto in un video precedente, 
 l'elettrone forma una nuvola attorno al nucleo. La forma di questa nuvola è determinata dal 

English: 
Schrodinger equation, which contains a wave
function. The wave function of the hydrogen
atom, simply put, represents the probabilities
of the possible results if we were to measure
its properties.
The hydrogen atom by itself will be in its
lowest energy state, called the ground state.
But when a second hydrogen atom is introduced
into this system, some interesting things
begin to happen. Not much happens if the atoms
are very far apart. Both atoms are in their
respective ground state.
But as they come closer to each other, a few
things happen as the same time. First, the
electrons, since they are both negatively charged
repel each other. But the electron of hydrogen
atom 1 also starts to get affected by the
positive charge of the proton in hydrogen
atom 2. Similarly the electron of atom 2 starts
to get attracted to the proton of atom 1.
So the electrons of each of the 2 atoms tend
to get pulled slightly to the other one’s
proton. And if they get close enough, the
cloud begins to spread to the space between
the two atoms.

Italian: 
 Equazione di Schrödinger, che contiene una funzione d'onda. La funzione d'onda dell'idrogeno 
 atom, in poche parole, rappresenta le probabilità dei possibili risultati se dovessimo misurare 
 le sue proprietà. 
 L'atomo di idrogeno di per sé sarà nel suo stato di energia più bassa, chiamato stato fondamentale. 
 Ma quando un secondo atomo di idrogeno viene introdotto in questo sistema, alcune cose interessanti 
 iniziare ad accadere. Non succede molto se gli atomi sono molto distanti. Entrambi gli atomi sono nella loro 
 rispettivo stato fondamentale. 
 Ma quando si avvicinano l'uno all'altro, alcune cose accadono nello stesso momento. Prima il 
 gli elettroni, poiché sono entrambi caricati negativamente, si respingono l'un l'altro. Ma l'elettrone dell'idrogeno 
 anche l'atomo 1 inizia a essere influenzato dalla carica positiva del protone nell'idrogeno 
 atomo 2. Allo stesso modo l'elettrone dell'atomo 2 inizia ad essere attratto dal protone dell'atomo 1. 
 Quindi gli elettroni di ciascuno dei 2 atomi tendono ad essere attratti leggermente dall'altro 
 protone. E se si avvicinano abbastanza, la nuvola inizia a diffondersi nello spazio di mezzo 
 i due atomi. 

English: 
Now, if the atoms get too close, then the protons
begin to repel each other and push each other
apart. So there is a sweet spot distance that
the two protons prefer to be in, such that
the electrons are happier being shared, and
the protons are not too repelled to each other.
You might ask why do these two atoms get attracted
in the first place because shouldn’t the
electron clouds be repelling each other, and
not allow them to get anywhere near each other?
This is an excellent question. What you have
to understand is the repulsion of the electrons
is not the only interaction taking place here.
There are a multitude of interactions happening.
And what happens to the entire system is determined
by the total energy of the system.
To calculate the lowest energy of this two
atom system, or molecule of hydrogen, we have
to take into account the following: the kinetic
energy each atom, the potential energy between
the two protons, the potential energy between
the two electrons, and the potential energy

Italian: 
 Ora, se gli atomi si avvicinano troppo, i protoni iniziano a respingersi a vicenda ea spingersi a vicenda 
 a parte. Quindi c'è una distanza di punto debole in cui i due protoni preferiscono trovarsi, tale che 
 gli elettroni sono più felici di essere condivisi ei protoni non si respingono troppo. 
 Potresti chiederti perché questi due atomi vengono attratti in primo luogo perché non dovrebbero 
 le nuvole di elettroni si respingono a vicenda e non consentono loro di avvicinarsi l'una all'altra? 
 Questa è un'ottima domanda. Quello che devi capire è la repulsione degli elettroni 
 non è l'unica interazione che ha luogo qui. Ci sono una moltitudine di interazioni in corso. 
 E ciò che accade all'intero sistema è determinato dall'energia totale del sistema. 
 Per calcolare l'energia più bassa di questo sistema a due atomi, o molecola di idrogeno, abbiamo 
 tenere in considerazione quanto segue: l'energia cinetica di ogni atomo, l'energia potenziale tra 
 i due protoni, l'energia potenziale tra i due elettroni e l'energia potenziale 

Italian: 
 tra ogni elettrone e ogni protone. 
 La somma dei possibili esiti dell'energia cinetica e potenziale di questo intero sistema 
 nella meccanica quantistica si fa riferimento all'Hamiltoniano, rappresentato dalla maiuscola H. 
 L'hamiltoniano per il nostro sistema di idrogeno a 2 atomi assomiglia a questo, quando fai tutto 
 i calcoli. 
 Per essere chiari, l'Hamiltoniano è un operatore corrispondente all'energia del sistema, 
 e una volta che lo inserisci nell'equazione di Schrodinger indipendente dal tempo, scritta qui, puoi farlo 
 risolvere per ottenere valori possibili per l'energia. Ora, come puoi immaginare, questo non è banale 
 equazione da risolvere. 
 Ma può essere rappresentato per semplicità dal seguente grafico. 
 E mentre spostiamo il da destra a sinistra, puoi vedere cosa succede all'energia quando il 
 due atomi vanno dall'essere distanti all'essere più vicini. Il calo nel grafico rappresenta 
 lo stato energetico più basso del sistema a due atomi. Se la distanza tra i protoni diventa qualsiasi 

English: 
between each electron and each proton.
The sum of the possible outcomes of kinetic
and potential energy of this entire system
in quantum mechanics is referred to the Hamiltonian,
represented by capital H.
The Hamiltonian for our 2 atom hydrogen system
looks something like this, when you do all
the calculations.
To be clear, the Hamiltonian is an operator
corresponding to the energy of the system,
and once you plug it into the time-independent
Schrodinger equation, written here, you can
solve to get possible values for energy. Now,
as you might imagine, this is not a trivial
equation to solve.
But it can be represented for simplicity by
the following graph.
And as we move the from right to left, you
can see what happens to the energy when the
two atoms go from being far apart to being
closer together. The dip in the graph represents
the lowest energy state of the two atom system.
If the distance between the protons gets any

English: 
smaller than that, the energy goes up significantly.
And if the distance gets larger, it also goes
up, although not as steeply.
So the two atoms find a natural sweet spot
such that they are both happier being at a
lower energy state together than when they
were farther apart by themselves.
It turns out the energy of this two atom
system is less than the energy of two separate
one atom systems. This is the reason if a
bunch of hydrogen atoms are near each other,
they will naturally combine to form a molecule
of H2 rather than float around by themselves.
This sharing of electrons by two atoms of
hydrogen is called a covalent bond.
And similarly, covalent bonds formed by other
atoms work analogously.
Now, if you took high school chemistry, you
will know that not all atoms form bonds with
atoms of their own kind, nor with just any
other atom.
One of the most remarkable things about chemical
bonding of atoms is that all the substances

Italian: 
 più piccolo di quello, l'energia aumenta in modo significativo. E se la distanza aumenta, va anche lei 
 anche se non così ripidamente. 
 Quindi i due atomi trovano un punto debole naturale in modo tale che siano entrambi più felici di essere a 
 stato di energia inferiore insieme rispetto a quando erano più distanti da soli. 
 Si scopre che l'energia di questo sistema a due atomi è inferiore all'energia di due separati 
 sistemi a un atomo. Questo è il motivo se un mucchio di atomi di idrogeno sono vicini l'uno all'altro, 
 si combineranno naturalmente per formare una molecola di H2 piuttosto che fluttuare da sole. 
 Questa condivisione di elettroni da parte di due atomi di idrogeno è chiamata legame covalente. 
 Allo stesso modo, i legami covalenti formati da altri atomi funzionano in modo analogo. 
 Ora, se hai preso chimica al liceo, saprai che non tutti gli atomi formano legami con 
 atomi della loro stessa specie, né con qualsiasi altro atomo. 
 Una delle cose più notevoli del legame chimico degli atomi è che tutte le sostanze 

English: 
that you see all around you, comprised of
molecules is due to the remarkable stability
of atoms that have or share certain seemingly
magical numbers of electrons – 2, 10, 18,
36, 54, or 86 electrons in so called shells
around the nucleus of atoms.
And all this is due to the fact that certain
combinations of atoms that contain these numbers
of electrons tend to have the lowest potential
energy.
If you look at the periodic table, you will
see that these numbers correspond to the number
of electrons contained in the 6 naturally
occurring noble gases. These are inert elements,
meaning they do not react to form bonds with
other atoms under standard conditions. That’s
because they already contain the number of
electrons needed to form highly stable shells
around the nucleus.
Other elements strive to contain a full set
of electrons in their outer shell called the
valence shell. Any element with an unfilled
outer shell has a much higher chemical potential
energy than these noble gases.

Italian: 
 che vedete tutt'intorno, composto da molecole è dovuto alla notevole stabilità 
 di atomi che hanno o condividono un certo numero di elettroni apparentemente magico - 2, 10, 18, 
 36, 54 o 86 elettroni nei cosiddetti gusci attorno al nucleo degli atomi. 
 E tutto ciò è dovuto al fatto che certe combinazioni di atomi che contengono questi numeri 
 degli elettroni tendono ad avere l'energia potenziale più bassa. 
 Se guardi la tavola periodica, vedrai che questi numeri corrispondono al numero 
 di elettroni contenuti nei 6 gas nobili presenti in natura. Questi sono elementi inerti, 
 nel senso che non reagiscono per formare legami con altri atomi in condizioni standard. Quello è 
 perché contengono già il numero di elettroni necessari per formare gusci altamente stabili 
 intorno al nucleo. 
 Altri elementi si sforzano di contenere un set completo di elettroni nel loro guscio esterno chiamato 
 guscio di valenza. Qualsiasi elemento con un guscio esterno non riempito ha un potenziale chimico molto più elevato 
 energia di questi gas nobili. 

English: 
So for example, if you look at the halogen
elements right next to the noble gases, fluorine,
Chlorine, etc. they are only one electron
away from being highly stable, so they are
desperate to attract one electron from any
atom that wants to get rid of one of their
electrons.
Also, if you look the alkali metals on the
far left side of the table, these are elements
that have one too many electrons, so they
are desperate to get rid of one electron.
Thus, when these alkali metals get together
with the halogen elements, guess what happens?
They form very strong bonds, and the resulting compounds have so
much lower energy that the excess energy is
released in the form of heat in an exothermic
reaction.
In fact, one very important compound results
from this type of reaction. It’s when Sodium
bonds with chlorine to form sodium chloride,
or ordinary table salt.
So atoms can either share electrons with one
or more other atoms, resulting in covalent

Italian: 
 Quindi, ad esempio, se guardi gli elementi alogeni proprio accanto ai gas nobili, il fluoro, 
 Cloro, ecc. Sono solo a un elettrone dall'essere altamente stabili, quindi lo sono 
 disperato di attrarre un elettrone da qualsiasi atomo che voglia sbarazzarsi di uno di loro 
 elettroni. 
 Inoltre, se guardi i metalli alcalini sull'estrema sinistra del tavolo, questi sono elementi 
 che hanno uno troppi elettroni, quindi cercano disperatamente di sbarazzarsi di un elettrone. 
 Quindi, quando questi metalli alcalini si uniscono agli elementi alogeni, indovina cosa succede? 
 Formano legami molto forti e i composti risultanti lo hanno 
 Energia molto inferiore rispetto all'energia in eccesso che viene rilasciata sotto forma di calore in maniera esotermica 
 reazione. 
 In effetti, un composto molto importante risulta da questo tipo di reazione. È quando il sodio 
 si lega al cloro per formare cloruro di sodio o normale sale da cucina. 
 Quindi gli atomi possono condividere elettroni con uno o più altri atomi, risultando covalenti 

Italian: 
 legami, oppure possono cedere o assumere elettroni da altri atomi risultando in legami ionici. 
 Esistono anche altri tipi di obbligazioni, ma questi sono gli unici due di cui discutiamo oggi. 
 Potresti chiedere, perché questi numeri di cui ho parlato prima sono numeri così magici? 
 I chimici diranno, beh, questi sono i numeri che consentono agli atomi di riempire i loro gusci di elettroni. 
 O, in altre parole, tutti gli atomi si sforzano di formare quello che viene chiamato un insieme completo di elettroni di valenza. 
 E questa forza di attrazione per gli atomi condivide gli elettroni per formare una piena valenza 
 shell, è bilanciata dalle forze repulsive delle loro nubi di elettroni e protoni. 
 Ma qual è il motivo sottostante? Perché 10 elettroni dovrebbero avere un'energia inferiore a 6 elettroni 
 per esempio? O perché il numero 18 è più speciale di un numero arbitrario come 
 16? 
 La risposta sta, come fanno molti fenomeni, ancora una volta nella meccanica quantistica. Ha tutto a che fare con 
 energia potenziale di sistemi multiatomo. Ci sono due concetti nella meccanica quantistica che 

English: 
bonds, or they can give away or take on electrons
from other atoms resulting in ionic bonds.
There are other types of bonds as well, but
these are the only two we are discussing today.
You might ask, why are these numbers I talked
about earlier such magical numbers?
Chemists will say, well, these are the numbers
that allow atoms to fill their electron shells.
Or, in other words, all atoms strive to form
what’s called a full valence set of electrons.
And this attractive force for atoms to share
electrons in order to form a full valence
shell, is balanced by the repulsive forces
of their electron clouds and protons.
But what is the underlying reason? Why should
10 electrons have lower energy than 6 electrons
for example? Or why is the number 18 more
special than some arbitrary number like
16?
The answer lies, as many phenomena do, again
in quantum mechanics. It all has to do with
potential energy of multi atom systems. There
are two concepts in quantum mechanics that

Italian: 
 sono molto importanti nel determinare l'energia di questi sistemi. Il primo è lo Schrödinger 
 equazione, come ho sottolineato nel nostro esempio di energia relativa alla molecola di idrogeno. 
 E il secondo è il principio di esclusione di Pauli. Questo principio afferma fondamentalmente che non ci sono due 
 fermioni, (un elettrone è un fermione) possono occupare lo stesso stato quantistico. Per i nostri scopi, 
 questo significa che in una molecola, due elettroni che si trovano nello stesso orbitale devono avere l'opposto 
 gira. 
 Questi due principi presi insieme, possono riprodurre quella sequenza esatta di numeri che ho chiamato 
 "magico." E risolvere le equazioni mostrerà che questi sono i numeri precisi che risultano 
 nella più bassa energia potenziale dei sistemi chimici. Quindi, ad esempio, se volessimo guardare l'acqua, 
 H2O, costituito da 2 atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, può essere scritta una funzione d'onda 
 per questa struttura. L'energia può essere calcolata risolvendo le equazioni. E lunghezze di legame 
 può essere determinato che si traduce nell'energia potenziale più bassa. 

English: 
are most important in determining the energy
of these systems. The first is the Schrodinger
equation, as I pointed out in our example of
energy related to the hydrogen molecule.
And the second is the Pauli exclusion principle.
This principle basically states that no two
fermions, (an electron is a fermion) can occupy
the same quantum state. For our purposes,
this means that in a molecule, two electrons
that are in the same orbital must have opposite
spins.
These two principles taken together, can reproduce
those exact sequence of numbers that I called
"magical." And solving the equations will show
that these are the precise numbers that result
in lowest potential energy of chemical systems.
So for example, if we wanted to look at water,
H2O, consisting of 2 hydrogen atoms and one
oxygen atom, a wave function can be written
for this structure. Energy can be calculated
by solving the equations. And bond lengths
can be determined that result in the lowest
potential energy.

Italian: 
 Ma i calcoli precisi diventano matematicamente complessi, quindi le approssimazioni chiamate potenziale Morse, 
 rappresentato dall'equazione di seguito viene solitamente utilizzato. Inserendo i numeri, un grafico 
 la rappresentazione del potenziale Morse per il legame OH nell'acqua può essere mostrata come segue. Qui U0 è l'energia di legame 
 e r0 è la lunghezza del legame che può essere letta in tabelle come quella qui. 
 Quindi, come al solito, tutto si riduce alla meccanica quantistica. Ma quello che voglio insegnarti è che il file 
 la meccanica quantistica alla base di questi fenomeni ti permette solo di vedere come si comporta la natura. Lo fa 
 Non spiegare perché la natura è così com'è. Ti mostra solo come funziona la natura. 
 La domanda sul perché le cose stanno come stanno è ciò che penso sia più interessante 
 domanda. E potrebbe esserci qualche motivo sottostante, ad esempio che risiede nella teoria delle stringhe, 
 o qualche altra teoria del tutto. 
 Ed è quello che spero che la prossima generazione di scienziati continuerà a perseguire. 

English: 
But precise calculations get very mathematically
complex, so approximations called Morse potential,
represented by the equation below is usually
used. Plugging in the numbers, a graphical
representation of Morse potential for the
O-H bond in water can be shown as the following. Here U0 is the bond energy
and r0 is the bond length that can be read
in a tables like the one here.
So, as usual it all comes down to quantum mechanics.
But, what I want to impart to you is that the
quantum mechanics behind these phenomena only
allows you to see how nature behaves. It does
not explain why nature is the way that it
is. It only shows you how nature works.
The question of why things are the way 
they are, is what I think the most interesting
question. And there may be some underlying
reason, for example that lies in string theory,
or some other theory of everything.
And that’s what I hope the next generation
of scientists will keep pursuing.

English: 
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Italian: 
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Italian: 
 considera di unirti a loro. E lascia una domanda qui sotto perché cerco di rispondere a tutte. 
 Ci vediamo nel prossimo video amico mio! 

English: 
consider joining them. And leave a question
below because I try to answer all of them.
I will see you in the next video my friend!
