Следует, однако, сказать, что для наглядного объяснения многих явлений можно все же представлять атом в виде ядра, окруженного электронами, движущимися по определенным орбитам. Нужно только помнить, что в действительности атом гораздо сложней такой упрощенной модели.
Устройство электронных оболочек
Самый простой и легкий из атомов — это атом водорода. Водородный атом состоит из ядра, несущего один положительный заряд[17], и одного единственного электрона. Ядро атома водорода получило особое название — протон, что значит первичный.
Следующий за водородом в системе Менделеева элемент — гелий. Ядро атома гелия примерно вчетверо тяжелее протона. Оно состоит из двух протонов и двух частиц, которые почти равны протонам по массе, но лишены электрического заряда. Такие, не имеющие заряда, нейтральные частицы названы нейтронами.
Вокруг ядра атома гелия движутся два электрона.
Третью клеточку в таблице Менделеева занимает щелочной металл литий. Вокруг его ядра обращаются три электрона.
Элемент № 4 — бериллий. Его ядро содержит четыре положительные заряда, и окружено оно четырьмя электронами.
Если мы возьмем наугад какой-либо элемент из середины менделеевской таблицы, то убедимся, что этот порядок соблюдается везде. У элемента № 6 — углерода — 6 электронов. У азота — 7, у кислорода— 8, у фтора — 9 и у неона — 10. Номер элемента в системе Менделеева, количество положительных зарядов в ядре и количество электронов в оболочке всегда выражается одним и тем же числом. Например, олово: номер — 50, положительных зарядов ядра — 50, электронов в оболочке — 50.
Вот это число, выражающее одновременно и порядковый номер, и количество положительных зарядов, и количество электронов, называется числом Менделеева.
Посмотрим теперь, как располагаются электроны внутри электронных оболочек различных атомов.
Единственный электрон водородного атома обычно находится очень близко от ядра — на минимальном расстоянии, которое возможно по законам атомной механики. Принято называть этот низший уровень первым.
В атоме существует еще несколько определенных уровней, на которых могут находиться электроны.
В атоме гелия на первом уровне два электрона. Оказывается, что два электрона полностью заполняют первый уровень. Больше электронов на нем поместиться не может.
Поэтому у лития два электрона занимают первый уровень, а третий электрон помещается уже на втором уровне.
На втором уровне могут находиться восемь электронов. Поэтому у следующих за литием семи элементов электроны постепенно заполняют, как бы «достраивают» свой второй уровень. У бериллия там 2 электрона, у бора — 3, у углерода — 4, у азота — 5, у кислорода — 6, у фтора — 7, у неона — 8.
У неона второй уровень заполнен, — больше на нем свободной «жилплощади» нет. И одиннадцатый элемент — натрий помещает свой одиннадцатый электрон уже на третьем уровне.
Этим-то и объясняется то, что натрий и литий но химическим свойствам так похожи друг на друга. И у них обоих по одному электрону на верхнем уровне, то есть во внешнем электронном слое. Также сходны бериллий и магний — у них по два электрона во внешнем слое, и углерод с кремнием, — у которых по четыре внешних электрона и т. д.
Наконец у гелия, неона и аргона внешние слои заполнены целиком — и эти элементы тоже сходны между собой, — они ни в какие соединения не вступают.
У более тяжелых атомов строение электронных оболочек усложняется. Максимальное число электронов: на первом уровне — 2, на втором — 8, на третьем—18, на четвертом — 32. Эти числа и определяют постепенно усложняющуюся для более тяжелых элементов периодичность системы Менделеева.
Движение свободных электронов
Движение электронов в атоме подчинено весьма строгим законам, которые обусловлены характером сил, действующих в атоме.
Ни один электрон не может забраться на чужой «уровень» и быть девятым там, где полагается находиться восьмерым. Ни один электрон не может занять место между слоями, так же, как человек не может встать на лестнице между двумя ступеньками.
Если электрон покидает свою орбиту и переходит на другую орбиту, то он делает это только скачком, только сразу, а не постепенно. Всякое перемещение электронов с одного уровня на другой внутри атома может происходить исключительно скачками и на целое число ступеней.
В некоторых случаях электроны могут не только перескакивать с орбиты на орбиту, но и совсем покидать атом. Такие «свободные» электроны ведут самостоятельное существование, путешествуя в междуатомном пространстве, а иногда и вообще далеко, на миллиарды километров, уходят от атомов.