Электронные оболочки

Неон, аргон и гелий почти ни с чем не реагируют. Причина в том, как расположены их электроны.

В простой модели оболочек электроны заполняют уровни вокруг ядра. У первых 20 элементов уровни вмещают 2, затем 8, затем 8, затем остальные. Настоящие электроны не движутся по аккуратным окружностям, но модель предсказывает очень многое в химии. Нильс Бор ввёл представление об определённых энергетических уровнях в 1913 г., и химики до сих пор пользуются этой картиной, чтобы объяснять, почему элементы реагируют так, а не иначе.

Заполнение оболочек

Электроны сначала попадают на самую внутреннюю оболочку, потому что там они удерживаются крепче всего. У водорода 1 электрон, у гелия 2, и это заполняет первую оболочку. Литию с 3 электронами приходится начать вторую оболочку: 2, 1. Вторая оболочка заполнена у неона: 2, 8. Натрий начинает третью оболочку, а аргон заполняет её до 8: 2, 8, 8. Затем калий и кальций помещают последние электроны на четвёртую оболочку.

У более тяжёлых атомов внешние оболочки могут вмещать больше 8. Общий предел для оболочки с номером n равен 2 × n × n, то есть 2, 8, 18 и 32. Но у первых 20 элементов третья оболочка останавливается на 8, прежде чем начинается четвёртая, и для этого курса больше ничего не нужно.

Внешняя оболочка

В реакциях участвуют электроны внешней оболочки. Атом с заполненной внешней оболочкой, как неон (2, 8), устойчив. Натрий (2, 8, 1) легко отдаёт свой единственный внешний электрон, а хлор (2, 8, 7) легко принимает один. Поэтому они соединяются в поваренную соль, хлорид натрия: натрий становится ионом с зарядом +1, хлор ионом с зарядом −1, и противоположные заряды удерживают их вместе.

Та же идея предсказывает заряд многих ионов. Атом с одним, двумя или тремя внешними электронами обычно теряет их, и у него остаётся заполненная оболочка под ними. Магний (2, 8, 2) теряет два и становится Mg²⁺. Атом, которому не хватает одного или двух электронов до заполненной оболочки, обычно их приобретает. Кислород (2, 6) приобретает два и становится O²⁻, а хлор приобретает один и становится Cl⁻. Посчитай внешние электроны, и обычно ты угадаешь заряд ещё до того, как посмотришь в справочник.

Оболочки и периодическая таблица

Модель оболочек объясняет устройство периодической таблицы. Каждая строка, период, начинает новую оболочку: водород и гелий в строке 1 используют одну оболочку, элементы от лития до неона в строке 2 две, от натрия до аргона в строке 3 три. У элементов одного столбца, группы, одинаковое число внешних электронов, поэтому они ведут себя похоже. У лития, натрия и калия по одному внешнему электрону, и все три бурно реагируют с водой. Гелий, неон и аргон стоят в последнем столбце с заполненными внешними оболочками, и это благородные газы, которые почти не вступают в реакции.