Такие свойства гелия неслучайны. Во всех атомах содержатся отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, которые расположены в атоме в разных «слоях», по-научному называемых энергетическими уровнями. Эти уровни являются концентрически вложенными друг в друга. На каждом уровне для заполнения и достижения равновесия требуется определенное количество электронов. На самом глубоком уровне может быть максимум два электрона. На большинстве других уровней может находиться до восьми электронов. Как правило, в атоме элемента содержится равное количество отрицательно заряженных электронов (на энергетических уровнях) и положительно заряженных протонов (в ядре). Таким образом, атом электрически нейтрален. Атомы могут свободно обмениваться электронами. Если атом приобретает лишние электроны или испытывает в них недостачу, то он становится ионом.
Важно понимать, что все атомы всегда заполняют самые глубокие энергетические уровни собственными электронами, насколько это возможно, частично «оголяя» из-за этого внешний уровень. После этого они отдают свои внешние электроны, делятся ими или «крадут» недостающие, чтобы внешний энергетический уровень был полон. Некоторые элементы обмениваются электронами очень «дипломатично», тогда как другие проявляют в этом крайнюю несдержанность. Половина химической науки заключена в следующей фразе: атомы, у которых есть пробелы во внешнем энергетическом уровне, будут драться, обмениваться, клянчить, заключать союзы и разрывать их ради одной цели – собрать полный комплект электронов на внешнем уровне.
Гелий – элемент № 2. У него есть два электрона, именно столько требуется ему для заполнения своего единственного энергетического уровня. Благодаря такой «закрытой» конфигурации гелий является поразительно независимым веществом. Ему не приходится взаимодействовать с другими атомами, делиться электронами или воровать их, он всегда целый. Можно сказать, что гелий гармоничен сам по себе. Более того, подобная конфигурация наблюдается во всем восемнадцатом столбце под гелием – у газов неона, аргона, криптона, ксенона и аргона. У всех этих элементов внешние оболочки «закрыты», на них красуется полный комплект электронов. Поэтому ни один благородный газ не реагирует с другими элементами при нормальных условиях. Вот почему, несмотря на исключительно упорные попытки обнаружить и назвать эти элементы (попытки предпринимались на протяжении всего XIX века), восемнадцатый столбец пустовал вплоть до 1895 года. Такая отрешенность от мирской суеты, роднящая благородные газы с идеальными окружностями и треугольниками, несомненно, очаровала бы Платона. Именно с очарованием можно сравнить чувства ученых, обнаруживших гелий и его собратьев на Земле, – неудивительно, что эти газы были названы «благородными». Можно выразить эту идею и на языке Платона: «Он, обожающий все совершенное и вечное и презирающий тленное и мирское, несомненно, предпочел бы благородные газы всем другим элементам. Ведь благородные газы никогда не изменяют себе, не колеблются, не потакают другим элементам – не то что плебеи, торгующие всякой всячиной на рынке. Эти газы непогрешимы и идеальны».
Но инертность, свойственная благородным газам, в мире элементов встречается редко. На один столбец влево от благородных газов находятся самые реактивные и энергичные вещества периодической таблицы – галогены. А если мы представим периодическую систему в виде глобуса (такую карту называют проекцией Меркатора), то запад и восток сомкнутся, и рядом с инертными газами окажутся самые активные металлы с крайнего запада, из первого столбца таблицы. Они называются «щелочными». Уравновешенные благородные газы образуют своеобразную «демилитаризованную зону», а по обе стороны от них гнездятся нестабильные соседи.
В некоторых отношениях щелочные металлы напоминают обычные, но, в отличие от большинства металлов, они не ржавеют и не корродируют, а спонтанно взрываются в воздухе или в воде. Щелочные металлы очень легко образуют соединения с галогенами. На внешнем энергетическом уровне в атомах всех галогенов содержится по семь электронов, то есть недостает всего одного электрона до полного октета. У щелочных металлов на внешнем энергетическом уровне всего один электрон, а под ним – полный октет
[6]. Поэтому совершенно естественно, что щелочные металлы легко отдают свой единственный внешний электрон галогенам, а между образующимися в результате ионами – положительным и отрицательным – возникает сильная химическая связь.
Подобные связи образуются все время, а электроны являются важнейшими компонентами атома. Они занимают почти все пространство в атоме, вращаясь, подобно облакам, вокруг компактного центра атома – ядра. Такое неравномерное распределение элементарных частиц сохраняется даже несмотря на то, что частицы ядра – протоны и нейтроны – гораздо массивнее электронов. Если увеличить атом до размеров стадиона, то ядро, состоящее из протонов и нейтронов, можно будет сравнить с теннисным мячом на пятидесятиярдовой отметке
[7]. Электроны стали бы похожи на булавочные головки, молниеносно проносящиеся вокруг ядра. Но они летали бы так быстро и врезались в вас настолько часто, что вы просто не смогли бы попасть на стадион: облака электронов преградили бы вам путь, как непроницаемая стена. Таким образом, при столкновении двух атомов их ядра не соприкасаются; происходит лишь обмен электронами
[8].
Маленькая оговорка: не стоит буквально понимать модель, в которой маленькие электроны на огромной скорости проносятся вокруг плотного ядра. Точнее, электроны не похожи на маленькие планеты, вращающиеся вокруг огромного ядра (Солнца). Аналогия с планетарной системой хороша, но, как и любой аналогией, не увлекайтесь ею. Многие известные ученые убедились в неверности этой аналогии на собственном горьком опыте.
Ионные связи объясняют, почему легко образуются химические соединения между галогенами и щелочными металлами, например хлорид натрия (поваренная соль). Не менее активно связываются и атомы таких элементов, у которых есть два лишних электрона (например, кальций) и которым недостает двух электронов (кислород). Для них это простейший способ «удовлетворить взаимные нужды». Соединения между элементами, не относящимися к «взаимно противоположным» столбцам, образуются по схожим принципам. Два иона натрия (Na+) соединяются с одним ионом кислорода (О2), образуя оксид натрия (Na2O). В соответствии с этими же законами образуется хлорид кальция (СаСl2). В принципе, можно довольно точно угадать, какую формулу будет иметь соединение двух элементов, если проверить номера столбцов, откуда взяты эти элементы, и узнать их заряды. Эти принципы отлично сочетаются с двусторонней симметрией таблицы.
