К. В атоме гелия вокруг двух протонов ядра на этой же оболочке К вращаются два электрона (рис. 3).
Рис. 3.Вот два самых простых атома: атом водорода (слева) и атом гелия (справа).
Н. — А какой элемент имеет три электрона на оболочке К?
Л. — Никакой, так как эта оболочка не может иметь больше двух электронов; Точно так же оболочка L не может иметь больше 8 электронов. На оболочке М может находиться не более 18 электронов, на оболочке N — не более 32, на оболочке О — не более 50, на оболочке Р — не более 72 и на оболочке Q — не более 98 электронов.
Н. — Очень любопытна эта последовательность чисел, которые ты называешь с такой легкостью.
Л. — Тут нет моей заслуги, так как эти числа определяются по очень простому закону:
Для оболочки К: 12 х 2 = 2.
Для оболочки L: 22 х 2 = 8.
Для оболочки М: З2 х 2 = 18.
Для оболочки N: 42 х 2 = 32.
Для оболочки О: 52 х 2 = 50.
Для оболочки Р: 62 х 2 = 72.
Для оболочки Q: 72 х 2 = 98.
Н. — В общей сложности 280. Значит, имеются атомы, содержащие такое количество электронов.
Л. — Нет, потому что если оболочки K, L, М и N, действительно, могут иметь указанное мною количество электронов, то на оболочке О на практике их не бывает больше 18, на оболочке Р — больше 32 и на оболочке Q — больше 10 (рис. 4).
Рис. 4. Схематическое изображение атома радия, показывающее распределение электронов по различным оболочкам. В действительности орбиты располагаются в различных плоскостях.
Н. — Это очень интересно, но мне кажется, что мы рискуем заблудиться в лабиринтах атомной и ядерной физики.
Л. — Напротив, мы сейчас примем решение, которое в значительной мере облегчит нам изучение всех этих вопросов. Если ты согласен, мы будем учитывать только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома.
Н. — Хорош же ты! Открыв мне существование многочисленных оболочек, из-за чего атом напомнил мне луковицу, ты сразу же запрещаешь мне очистить эту луковицу. Уж не хочешь ли ты уберечь меня от слез?..
Л. — Решение, которое мы должны принять, вполне законно. Что нас интересует в конечном счете? — Электрическое состояние атомов. Однако обычно атом содержит электронов столько же, сколько и протонов, в результате чего отрицательные заряды первых уравновешиваются положительными зарядами вторых. Такой атом электрически нейтрален. Но может случиться, что внешние силы вырвут у атома один или несколько электронов. В этом случае равновесие нарушается: общая сумма отрицательных зарядов электронов оказывается меньше положительного заряда ядра. Такой атом становится положительным ионом.
Н. — А если, наоборот, по той или иной причине атом получит избыточные электроны, то он станет отрицательным. Я подозреваю, что в этом случае его можно назвать отрицательным ионом.
Л. — Превосходно! Однако такие потери или приобретения электронов (именуемые ионизацией) могут иметь место главным образом на внешней оболочке, т. е. там, где меньше проявляется сила притяжения ядра.
Н. — Да, я понимаю, что в этих условиях нас могут интересовать только электроны, находящиеся на внешней оболочке.
Л. — Для этого есть еще одна причина. Именно эта оболочка определяет химические свойства элементов. Атом действительно удовлетворен своим положением только тогда, когда имеет на своей внешней орбите 8 электронов. В этих условиях атом стабилен и не помышляет ни о приобретении, ни о потере электронов. Так, например, неон, имеющий на своей внешней оболочке L 8 электронов, весьма счастлив и не стремится вступить в связь с каким бы то ни было другим химическим элементом. А фтор, имеющий на этой же внешней оболочке только 7 электронов, только и думает, как бы вступить и комбинацию с другим элементом, способным уступить ему 1 электрон для пополнения состава внешней оболочки до 8.
Н. — А как осуществляются такие супружеские сочетания?
Л. — Возьми для примера хлор, у которого на внешней оболочке М 7 электронов, и натрий, имеющий 2 электрона на оболочке К, 8 электронов на оболочке L и только 1 электрон на оболочке М. Вот тебе пример идеальной пары. Входя в комбинацию с хлором, натрий передает ему свой единственный электрон с внешней оболочки и доводит до 8 количество электронов на внешней оболочке. Одновременно с этим у натрия внешней станет оболочка L сo своими 8 электронами, принеся ему тем самым высокую стабильность (рис. 5).
Рис. 5.При соединении атома хлора (Сl) с атомом натрия (Na) образуется молекула хлористого натрия.
Н. — Да, но, получив избыточный электрон, хлор окажется ионизированным отрицательно, а потерявший свой электрон натрий станет положительным ионом?
Л. — Разумеется. Взаимное притяжение этих двух ионов сделает стабильной конструкцию молекулы, появившейся в результате этого бракосочетания.
Н. — А как называется новое вещество?
Л. — Хлористый натрий, если ты будешь покупать его в магазине химических реактивов, но в бакалее это же вещество продается под названием поваренной соли.
Н. — Я в этом не был уверен… А теперь я предполагаю, что таким образом можно объяснить и другие бракосочетания атомов. Как, например, происходит это при образовании молекулы воды?
Л. — Объединение происходит очень любезно. Атом кислорода имеет на внешней оболочке L 6 электронов, следовательно, на ней имеется еще два свободных места, и для заполнения их кислород занимает электроны у двух атомов водорода, так как, позволь тебе напомнить, атомы водорода имеют всего лишь по одному электрону (рис. 6).
Рис. 6.Два атома водорода (H) своими электронами дополняют количество электронов на оболочке L атома кислорода (О) до восьми. В результате объединения этих трех атомов образуется молекула окиси водорода, именуемая обычно… водой (Н2O).
Н. — Теперь я понимаю, почему молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Л. — Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней показывает, в какие комбинации может вступать атом. Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным.
Н. — Прости меня, но это мне не совсем понятно.
Л. — Если на внешней оболочке имеется 6 или 7 электронов, то до полного комплекта из 8 электронов ей недостает соответственно 2 или 1 электрон. О таких атомах говорят, что они двухвалентны и одновалентны. Но если внешняя оболочка содержит 1, 2 или 3 электрона, то атом будет склонен отдать эти электроны. В этом случае мы имеем одновалентные, двухвалентные и трехвалентные элементы.
Н. — А если внешняя оболочка имеет 4 электрона?
Л. — В этом случае атом был бы более счастлив объединиться с другим атомом, имеющим также 4 электрона на внешней оболочке. Следовательно, такой атом четырехвалентен. Именно такие атомы у германия и кремния, используемых в производстве транзисторов, и у углерода. Наконец, если внешняя оболочка содержит 5 электронов, то атом называется пятивалентным. И, возвращаясь к вопросу о транзисторах, я представляю тебе несколько химических элементов, используемых при их производстве. С одной стороны, это алюминий, индий и галлий, внешняя оболочка которых содержит только 3 электрона, т. е. трехвалентные элементы, а с другой стороны, мышьяк и сурьма с 5 электронами на внешней оболочке, т. е. пятивалентные элементы (рис. 7).
Рис. 7. Распределение электронов (общее количество которых носит название «атомного номера») по различным оболочкам у основных элементов, используемых для изготовления транзисторов.
Н. — Неужели мы будем рассматривать таким способом все химические элементы?
Л. — Нет, успокойся. Мы ограничились элементами, имеющими важное значение в технологии транзисторов. Но мы допустим ошибку, если изучим только индивидуальную психологию атомов. Нас особенно должна интересовать их общественная жизнь. За исключением таких неисправимых индивидуалистов, как неон с 8 электронами на внешней орбите, которые боязливо отказываются от всякого объединения, атомы (не забывай этого!) живут в обществе. И их группировки имеют более или менее организованный характер. В твердых телах (за исключением тех, которые по своей структуре похожи на жидкости, как, например, стекло) атомы расположены в строго определенном порядке: они образуют кристаллические решетки.
Н. — Каким же образом они объединяются?
Л. — Это зависит от характера вещества. Возьмем в качестве примера германий или кремний. В этих веществах каждый атом своими четырьмя внешними электронами связан с четырьмя другими атомами: по одному электрону на каждый соседний атом. В свою очередь, каждый из соседних атомов отдает для связи с данным атомом по одному электрону. Я нарисовал здесь только один атом, связанный с четырьмя своими соседями (рис. 8). Но каждый из них, в свою очередь, связан с четырьмя соседними атомами (в том числе и с атомом, изображенным в центре нашего рисунка) и т. д. Теперь созда