Электронные оболочки.

Итак – как же мы объясним периодичность свойств атомов?

Мы пользуемся сейчас моделью, согласно которой электрон движется в атоме по круговой орбите вокруг ядра. Орбиты эти располагаются в атоме не хаотично, и не всей кучей, а сгруппированы в «оболочки». Каждая оболочка может вмещать в себя лишь определенный максимум орбит. Самая первая оболочка обозначается буквой «К» и может вмещать в себе только 2 электрона (или, что то же самое, две орбиты, ведь каждый электрон движется вокруг ядра по орбите). Вторая – «L» - 8. Третья – «М» - тоже 8. Четвертая и пятая – по 18. Шестая и седьмая – по 32.

Итак: каждый электрон размещается на своей орбите. Одна электронная оболочка объединяет несколько близко расположенных друг к другу орбит. «Оболочка» и «орбита» - разные понятия. Одна оболочка состоит из нескольких орбит. «Оболочка» - собирательный термин, примерно как термин «роща» обозначает несколько деревьев.

Открой таблицу Менделеева, чтобы было удобнее следить за текстом. Возьмем атом гелия. В его ядре два протона, и значит должно быть два электрона вокруг ядра. А это значит, что первая электронная оболочка у гелия полностью заполнена. Такой элемент будет химически очень пассивен, так как ему «ничего не надо» - у него все заполнено, и ни отнять электрона, ни добавить. Гелий относится к «инертным газам». Слово «инертный» как раз и подчеркивает, что крайне сложно заставить такие газы вступать в химические реакции.

Прибавим к гелию протон – получится литий. И у лития – три электрона, а на первой оболочке может быть только два. Значит на второй оболочке у лития размещен один электрон. Этот внешний электрон связан с ядром атома намного слабее, чем первые два, просто потому, что между ним и положительно заряженным ядром размещаются два отрицательно заряженных электрона, которые выступают в роли экрана. Поэтому литий легко может отдать свой третий электрон, то есть он легко вступает в химические реакции.

Если мы к ядру лития добавим еще 7 протонов, получим элемент неон с атомным числом 10. Нетрудно заметить, что 10=2+8, а вторая оболочка вмещает в себя как раз максимум 8 электронов. Это означает, что неон, как и гелий, совершенно инертен, в химические реакции почти не вступает – его первые две электронные оболочки полностью заполнены.

Следующий за неоном элемент – уже рассмотренный нами и раньше натрий с порядковым номером 11. То есть у него снова только один электрон на внешней, теперь уже третьей оболочке. Но в химических реакциях в первую очередь участвуют как раз эти самые внешние электроны, поскольку они слабее всех остальных связаны с ядром. К примеру, этот 11-й электрон в атоме натрия экранирован от ядра уже двумя оболочками электронов, и расстояние до ядра становится больше, а сила, с которой притягиваются противоположные электрические заряды, обратно пропорционально даже не расстоянию, а квадрату расстояния между ними! Значит при удалении электрона от ядра, сила их электрического притяжения ослабевает очень быстро, и экранирующий эффект других электронов, расположенных между крайним электроном и ядром, становится все более и более значимым.

Поскольку именно внешние электронные оболочки определяют в основном характер химических реакций, то и неудивительно, что ВСЕ элементы, у которых на внешней оболочке одинаковое количество электронов, ведут себя очень схожим образом в химических реакциях.

Таким образом периодичность свойств элементов объяснена. Ядра-то у них прирастают линейно, один протон за другим, а вот электроны располагаются на оболочках, и когда одна оболочка заполняется полностью, начинается заполнение новой, и все химические свойства идут по кругу, и каждый период в таблице Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом.

Атомы щелочных металлов – лития (Li), натрия (Na), калия (K), рубидия (Rb), цезия (SC) и франция (Fr) содержат по одному электрону на внешней оболочке, который связан с ядром слабо и легко теряется. Наоборот, в атомах «галогенов»: фтора (F), хлора (Cl), брома (Br), йода (I) и астата (At) не хватает лишь одного электрона на внешней оболочке, и это приводит их в такую ярость (ведь цель заполнения оболочки так близка!), что они с великим энтузиазмом рыщут – где бы стащить электрон. Поскольку они так яростно хотят зацепить электрон, то они добиваются своего в столкновениях практически с любым другим атомом – отнимают электрон, превращаются в отрицательно заряженный ион и после этого, влекомые силой электрического притяжения, вступают в химическую реакцию. Поэтому в свободном виде галогены в природе не встречаются, а только в виде химических соединений.

Теперь понятно и устройство таблицы Менделеева: в первой строчке (эти строчки называются «периодами» два элемента, так как первая оболочка вмещает только два электрона. Во втором и третьем периодах – по 8 элементов. Четвертый и пятый периоды содержат по 18 элементов. Шестой и седьмой – по 32.

Можно спросить – а сколько электронов помещается на восьмой оболочке? А на девятой? Ответ на этот вопрос получить несложно, но большого практического смысла этот ответ не имеет просто потому, что атомы с таким огромным количеством нуклонов в ядре и таким количеством сильно удаленных от ядра электронов попросту не существуют в природе. В лабораторных условиях можно получить некоторые из них, и это делается, но они крайне нестабильны и разваливаются мгновенно на более легкие элементы. Они разваливаются так быстро, что не удается даже исследовать их физические свойства. Тем не менее, физики надеются, что со временем им удастся каким-то хитрым приемом создать некоторые элементы, завершающие седьмой период и составляющие восьмой, поэтому для них даже придуманы временные, «технические» названия. Так, элемент, начинающий восьмой период, назван «унуненний», а галоген из седьмого периода пока назван «унунсептий» . Когда их смогут синтезировать, им, конечно, дадут более красивые названия.

Обращает на себя внимание некоторое исключение из правил: водород тоже ведь имеет только один электрон на внешней оболочке, но он не является щелочью и уж точно не металл. Это объясняется тем, что единственный электрон находится очень близко к ядру и не экранируется никакими другими электронами, то есть его связь с ядром намного крепче, чем у щелочных металлов. Поэтому и химические его свойства тоже своеобразны и скорее близки к свойствам инертных газов – только прожженный хищник, супер-сильный электроотрицательный фтор может значительно оттаскивать в свою сторону электрон атома водорода в нормальных условиях. Для того, чтобы водород вступал в реакции с другими веществами, требуются специальные условия, такие как повышенная температура и т.д.

По той же причине унунсептий и унуненний наверняка будут обладать свойствами, сильно отличающимися от свойств галогенов и щелочных металлов – уж слишком сильно они отличаются от тех и других.

На самом деле, устройство электронных оболочек существенно более сложное, и мы потом обязательно вернемся к этой теме и узнаем о существовании s, p, d, f и g-оболочек с разными пространственными конфигурациями, но об этом позже.