Атомы, у которых внешняя оболочка полностью укомплектована восемью электронами, можно уподобить гладким шарикам.
Встречаясь с атомами других веществ, они ведут себя подобно упругим мячикам — ударяются и отскакивают. Их прочные «панцирные» оболочки не позволяют им вступать в химические соединения.
Атомы элементов с недостроенными внешними оболочками, у которых электронов до комплекта не хватает, похожи на колючки репейника. При каждом удобном случае они сцепляются своими «крючочками» с атомами других элементов, у которых оболочки тоже не заполнены электронами.
На самом деле никаких крючков или клиньев у атомов нет. Это название введено только для облегчения понимания химической связи между атомами.
В результате объединения таких атомов образуется молекула простого или сложного вещества.
Вступая в химическое соединение, атомы объединяются так, чтобы у них сложилась совместная и прочная оболочка из восьми электронов или, в некоторых случаях, из двух электронов, как у гелия. Например, два атома водорода составляют молекулу водорода. У молекулы водорода получается оболочка, построенная по типу атома гелия, т. е. из двух электронов. Такая оболочка прочнее, чем у отдельного водородного атома, и молекулярный водород вступает в химические соединения не так энергично, как атомарный водород. Он гораздо «ленивее».
Молекула воды состоит из трех атомов: два атома водорода со своими двумя электронами объединяются с одним атомом кислорода, у которого в наружной оболочке как раз не хватает двух электронов, и они сооружают как бы «вскладчину» общий «панцирь» из восьми электронов.
По этому же образцу создаются молекулы сероводорода и селенистого водорода.
Если же водород вступает в соединение с азотом, у которого до комплекта недостает трех электронов, то к каждому атому азота примыкает по три атома водорода.
Возможны и более сложные «складчины», в которых атомы отдают на образование коллективной оболочки все или часть своих внешних электронов. Но ни один химический элемент не может отдать электронов больше, чем у него находится в недостроенной оболочке. И точно так же ни один атом не в состоянии присоединить к себе «чужих» электронов больше, чем у него имеется свободных мест.
Следовательно, число «соединительных крючочков» у атомов ограничено. Оно не превышает семи, так как атомы, владеющие оболочкой из десяти электронов, недеятельны. Некоторые элементы, у которых имеется несколько недостроенных оболочек, могут брать «взаймы» у внутренней оболочки, когда в наружной слишком мало электронов. Такова, например, медь. Ее атомы имеют во внешнем слое только один электрон, но, вступая в химическое соединение, атомы меди как бы «занимают» из более глубокого слоя еще один электрон и соединяются с другими атомами, пуская в ход не один, а два «крючочка». Число «соединительных крючочков», которыми атом скрепляется с другими атомами, называется валентностью. Валентность, очевидно, может быть двоякая: в одном соединении атом забирает себе чужие электроны, в другом приходится отдавать свои.
Например, атом хлора владеет семью электронами. Следовательно, одного электрона у него не хватает. Атом натрия, наоборот, имеет во внешней оболочке один электрон, и ему не хватает семи. Поэтому натрий охотно вступает в химическое соединение с хлором. Их атомы создают совместную оболочку из восьми электронов и составляют молекулу хлористого натрия — поваренной соли.
В кислородных соединениях хлор ведет себя иначе, — тут ему приходится делиться своими электронами.
Так в перхлорате калия семь электронов хлор отдает четырем атомам кислорода, четвертый атом кислорода получает недостающий электрон от атома калия.
Валентность хлора в одном случае 1, в другом — 7. Возможны соединения и с другой валентностью.
Такой различной валентностью обладают многие металлоиды.
Атомы металлов отличаются от атомов металлоидов более непрочными наружными оболочками. Особенно легко они отдают свои внешние электроны, и валентность большинства металлов равна числу электронов внешней оболочки.
Поэтому эти электроны, играющие при химических реакциях роль «соединительных крючочков», получили название валентных электронов.
Очень своеобразно ведет себя в химических реакциях углерод — он занимает промежуточное положение между металлами и металлоидами и имеет ровно полкомплекта — четыре электрона. Поэтому отдает ли атом углерода свои электроны или присоединяет чужие, все равно он способен пустить в ход только четыре крючочка. Валентность углерода во всех случаях равна четырем.
Атом каждого химического элемента, вступая в соединение, может использовать не все свои крючочки. В молекуле угарного газа углерод отдает на образование совместной оболочки два своих электрона, а два остаются как бы про запас. В подходящих условиях он присоединяет к себе еще один атом кислорода, и тогда угарный газ превращается в углекислоту.
Так образуются молекулы сравнительно простого состава — из нескольких атомов. Существует очень много весьма сложных молекул из десятков, сотен и даже десятков тысяч атомов, но в каждой такой молекуле атомы могут скрепляться друг с другом только тем числом валентных электронов — крючочков, какое у них имеется.
Водород, литий, натрий, калий — элементы из первого столбца — имеют по одному валентному электрону, элементы из второго — по два, из третьего — по три, из седьмого — по семи электронов. Это правило не распространяется на металлы из восьмого столбца (железо, рутений, платина). Эти металлы, так же как и другие тяжелые элементы из нижних рядов таблицы Менделеева, пускают в ход не только электроны наружного слоя, но и валентные электроны из следующего слоя, который у них тоже недостроен.
Благодаря тому что ученые поняли, как устроены электронные оболочки атомов, удалось открыть новые элементы. Например, 72-я клеточка в таблице Менделеева долгое время пустовала. Неизвестный элемент долго и безуспешно искали в танталовых рудах, полагая, что он должен быть похож на своего соседа по таблице — на тантал.
В 1922 году ученые догадались мысленно построить план электронных оболочек элемента № 72. Оказалось, что электронная оболочка этого элемента подобна не танталу, а элементу № 40 — цирконию. После этого незнакомца стали искать в циркониевых рудах, где действительно его и обнаружили. Так был открыт гафний.
Периодический закон, открытый Менделеевым, являлся путеводной звездой многих поколений химиков. Этот закон лег в основу всей современной химии. Он позволил не только глубже проникнуть в тайны строения атома, но и помог ученым лучше разобраться в структуре малых и больших молекул.