Электронные оболочки
Одной из причин является то, что любая химическая реакция включает в себя в том числе и взаимодействие электронов внутри атомов. Например, хлорид натрия состоит из ионов натрия и газообразного хлора. В процессе реакции атом натрия теряет один электрон и становится положительно заряженным ионом Na+, а атом хлора присоединяет один электрон и становится отрицательно заряженным ионом Cl–.
Возможно, благородные газы не вступают в химические реакции потому, что уже обладают жесткой электронной структурой, а присоединение или потеря электронов приведет к потере этой структурной устойчивости.
Логично предположить, что эта устойчивость достигается полным заполнением одной из электронных оболочек.
Например, атомное число гелия равно 2, и гелий является благородным газом. Если атом гелия содержит два электрона, значит, ему необходимы лишь два электрона для полного заполнения внутренней электронной оболочки К. Атом следующего благородного газа — неона — в нейтральном состоянии обладает 10 электронами, 2 из которых заполняют оболочку К, а оставшиеся 8 — оболочку L. В каждом атоме аргона (атомное число 18) уже по 18 электронов, 2 из которых заполняют оболочку К, еще 8 — L, а оставшиеся 8 — оболочку М. В табл. 4 показано, как электроны по электронным оболочкам распределены у первых 20 элементов. (У элементов с большим атомным числом распределение становится уже более сложным, см. гл. 5.)
Вскоре после опубликования Мозли своих работ были сделаны первые попытки рассмотреть химические реакции с точки зрения распределения электронов по электронным оболочкам. Успехом увенчались попытки работавших независимо друг от друга американских химиков Гилберта Ньютона Льюиса (1875–1946) и Ирвинга Ленгмюра (1881–1957). Суть их теории вкратце заключается в том, что в процессе любой химической реакции элементы стараются потерять или присоединить электроны, чтобы перейти в такое же, как и у благородных газов, устойчивое состояние.
Так, натрий с распределением электронов по оболочкам 2/8/1 проявляет тенденцию отдать один электрон, чтобы превратиться в ион натрия (Na+) с распределением электронов 2/8, как у атома неона. Конечно же ион натрия не превращается в атом неона, так как заряд ядра (уникальный для каждого элемента) иона натрия остается +11, а заряд ядра атома неона равняется +10. То же можно сказать и о хлоре. Атом хлора с распределением электронов 2/8/7 проявляет тенденцию присоединить еще один электрон и стать ионом хлора (Cl–) с распределением электронов 2/8/8, как у атома аргона.
Легкость, с которой натрий и хлор реагируют друг с другом, объясняется их обоюдным желанием отдать и присоединить электрон. Атом хлора присоединяет «лишний» электрон натрия, после чего элементы превращаются в ионы с разноименным зарядом и притягиваются друг к другу.
Точно так же кальций (2/8/8/2) легко отдает 2 электрона и становится ионом кальция (Са++) с распределением электронов по аргону (2/8/8), а кислород (2/6) присоединяет эти 2 электрона и становится оксид-ионом (О––) с распределением по неону (2/8). Вместе эти ионы образуют оксид кальция (СаО).
Или кальций может отдать один электрон одному атому хлора, а второй — другому, и тогда образуется хлорид кальция (СаСl2), то есть один грамм-атом хлора соединяется с половиной грамм-атома кальция. Таким образом, с точки зрения электронов можно объяснить существование эквивалентных масс.
Таблица 4.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ
| Элемент |
Атомное число |
Число электронов в оболочке |
| К |
L |
М |
N |
| Водород |
1 |
1 |
_ |
_ |
_ |
| Гелий |
2 |
2 |
— |
— |
_ |
| Литий |
3 |
2 |
1 |
— |
_ |
| Бериллий |
4 |
2 |
2 |
— |
— |
| Бор |
5 |
2 |
3 |
— |
— |
| Углерод |
6 |
2 |
4 |
— |
— |
| Азот |
7 |
2 |
5 |
_ |
_ |
| Кислород |
8 |
2 |
6 |
— |
— |
| Фтор |
9 |
2 |
7 |
— |
— |
| Неон |
10 |
2 |
8 |
— |
— |
| Натрий |
11 |
2 |
8 |
1 |
— |
| Магний |
12 |
2 |
8 |
2 |
— |
| Алюминий |
13 |
2 |
8 |
3 |
— |
| Кремний |
14 |
2 |
8 |
4 |
— |
| Фосфор |
15 |
2 |
8 |
5 |
— |
| Сера |
16 |
2 |
8 |
6 |
— |
| Хлор |
17 |
2 |
8 |
7 |
— |
| Аргон |
18 |
2 |
8 |
8 |
— |
| Калий |
19 |
2 |
8 |
8 |
1 |
| Кальций |
20 |
2 |
8 |
8 |
2 |
Но как же тогда образуется молекула хлора? Ведь атом хлора проявляет тенденцию присоединить, но никак не отдать электрон. Льюис и Ленгмюр предположили, что если два атома хлора находятся в непосредственной близости, то их внешние электронные оболочки соприкасаются и заполняются электронами друг друга, и общее число электронов каждого атома становится таким же, как и аргона, — 2/8/8.
