Так что атом размером со свою электронную оболочку. Насколько велика эта оболочка, зависит помимо прочего от количества электронов. Как правило, у атома практически столько же электронов, сколько и протонов, ведь так компенсируются положительные и отрицательные заряды, и в сумме получается электрически нейтральный атом. Следовательно, в электронной оболочке атома золота вертятся 79 электронов, а в кислороде – всего 8. А поскольку каждому электрону требуется место, электронная оболочка атома золота больше оболочки атома кислорода. Значит, атом золота более чем в два раза крупнее атома кислорода.
* * *Вот вам про массу и объемы атомов. А теперь давайте обратимся к самой увлекательной теме – собственно к химическим свойствам! Здесь ядро атома нас пока не интересует, поскольку в химических реакциях не участвует. Химические реакции разворачиваются только в электронных оболочках и между ними. Поэтому-то из железа не сделать золота: пришлось бы привлечь в игру протоны, а это невозможно. Количество протонов в ядре так легко не изменить (за исключением радиоактивности, где тяжелые, нестабильные ядра распадаются одно за другим). Так что тем более стоит чуть больше внимания уделить оболочкам. И тут начинается самое интересное!
На рисунке модели атома вы видели, что электроны крутятся вокруг ядра по неким траекториям. Это очень упрощенная модель. Есть такое общее правило, оно относится и к модели частиц тоже. Модель никогда не описывает реальность, она лишь дает упрощенное представление. Она никогда не бывает универсально достоверной, разве что в определенных обусловленных рамках. Как вы уже заметили по нашему разговору, мне нравятся простые модели. Ну действительно, зачем без надобности усложнять вещи?
Сейчас я покажу модель, которая поможет довольно хорошо объяснить химические реакции; это так называемая оболочечная модель.
Согласно оболочечной модели, электронам не положено кружить вокруг ядра как попало – они могут делать это лишь на строго определенном расстоянии. Оболочки можно представить себе как луковую шелуху вокруг ядра, этакая луковица. (Я бы даже назвала ее луковой моделью, но меня никто не спрашивал.)
Как на определенных удалениях от Солнца вращаются Земля и другие планеты, так и электроны могут кружить вокруг ядра. Почему недопустимы иные расстояния? Это имеет некоторое отношение к квантовой механике, поскольку для таких маленьких частиц, как электроны, действуют правила физики не только классической, но и квантовой.
Квантовая физика вообще трудно представима, поскольку все, что мы видим и с чем сталкиваемся в жизни, следует правилам классической физики. Поэтому окунаться в квантовую механику – все равно что представлять себе цвет, который никогда не видел. Но мы взамен представим себе следующее.
Оболочки – это ряды кресел, закрепленные как в кинотеатре. Сидеть можно только на стульях, но не между рядами. (Что в кино, впрочем, бессмысленно: ничего не увидишь.)
Каков же порядок рассадки по этим рядам? Электронные оболочки в элементах заполняются изнутри наружу. Когда оболочка заполнена, снаружи добавляется следующая. Особенно большое значение имеют электроны на внешнем уровне. Нахождение на наибольшем удалении от ядра обусловливает их особые свойства: чем дальше оболочки от ядра, тем меньше сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Таким образом, электроны на внешнем уровне более свободны, чем электроны нижних оболочек. Внутренние электроны пассивны и предпочитают оставаться ближе к положительному ядру, а внешние (или электроны на внешнем уровне) – ребята общительные, они с готовностью участвуют в химических реакциях.
Помимо удаленности электронов на внешнем уровне от ядра есть еще кое-что, обусловливающее их неспокойное поведение: в то время как внутренние электронные оболочки атомов полностью заняты, внешние у многих элементов частично не заполнены. Ведь, как уже говорилось, количество электронов ограничено – оно соответствует числу протонов. Лично я не против, если в кинотеатре в моем распоряжении окажется целый ряд свободных кресел. Но я же не электрон. А они, главным образом на внешнем уровне, экстраверты – ненавидят незаполненные ряды и хотят, чтобы их оболочки непременно были заняты!
Это желание проявляется интересным образом: элементы, у которых во внешней оболочке одновременно свободны несколько мест, не особенно агрессивны. Но если не занято одно-единственное место или если во внешней оболочке в одиночку сидит электрон, дело принимает неприятный оборот. Самые агрессивные элементы те, которые до заполнения внешней оболочки не дотянули самую малость. Припомните: по окончании мировых футбольных чемпионатов слезы на глазах обычно у игроков команды, занявшей второе место, – они были так близки к цели…
Итак, химический темперамент атома связан с числом его электронов на внешнем уровне. У нашего фтора таких семь, а в его крайней оболочке восемь мест. То есть не занято всего одно место, и это буквально бесит фтор. Он неустанно ищет себе восьмой электрон у других атомов и молекул и не успокоится, пока не заполнит последнее свободное место в своей внешней оболочке.
Впрочем, в этой проблеме фтор не одинок. Почти все элементы основных групп периодической системы хотели бы иметь по восемь электронов на внешнем уровне. Это страстное желание называют правилом октета. Название вводит в заблуждение в том смысле, что это не твердое правило в рамках физических законов – речь всего лишь о модели. Впрочем, об очень практичной, тесно связанной с оболочечной моделью. Правило октета не только объясняет, какие элементы особенно реактивны, но и подсказывает, какие реактанты подходят друг другу. У каждого элемента есть потребности, и выполнение правила октета может быть одной из них. Химические реакции и соединения происходят для удовлетворения этих потребностей. (По сути, в общем-то, как и у людей.)
Фтор – как младенец, который голоден и потому бузит. Его покормишь, и он успокоится. (Тут родители могут иметь другую точку зрения…) Как только фтор вступает в соединение, дарующее ему столь страстно желаемый восьмой электрон, такого больше не происходит.
Что же все это значит для моей сковородки? В тефлоне фтор связан с углеродом, у которого есть характерная особенность щедро делиться электронами и оболочками с другими атомами. (Как именно выглядит такое соединение, выясним в главе 8.) Чтобы извлечь фтор из этого благополучного для него состояния, потребовалось бы затратить очень много энергии. Тефлон пришлось бы нагреть до температуры выше 360 °C, чтобы разрушить соединения; рекомендуемая максимальная температура для тефлоновых сковородок – 260 °C (Кстати, для моей яичницы оптимальны всего 83 °C – при этой температуре сворачивается яичный белок.)
Итак, согласно правилу октета, атомы фтора и углерода в моей сковородке достигли всего, чего только может достичь