Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

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.