Почему железо твердое, сыр мягкий, а вода жидкая? Ответ на этот вопрос нужно искать в особенностях электронного строения атомов, из которых они состоят.

Атомы как кирпичики мироздания, соединяясь и разъединяясь, позволяют материи менять свои характеристики - форму, цвет, вкус и так далее.

Если посмотреть на железную ложку и кусок сыра в электронный микроскоп, мы увидим, что они состоят из разных атомов: которые имеют разные размеры, плотность электронных облаков, свечение и так далее. Все химические и физические свойства атомов - это следствие взаимодействия электронов атома с окружающим миром.

Количество и способы размещения электронов разнятся от атома к атому. Орбитали* атома один за другим заполняются электронами. С увеличением количества электронов увеличивается количество энергетических уровней и, как следствие, количество орбиталей.

Энергетические уровни электронов похожи на кольцевые автодороги в мегаполисах. Чем они ближе к центру, тем меньше на них автомобилей. Также и энергетические уровни, те которые находятся дальше от ядра, вмещают больше электронов. Подобно тому, как автодороги делятся на полосы, энергетические уровни делятся на орбитали. В зависимости от формы орбитали могут содержать от 2 до 14 электронов. Существуют сферические s-орбитали, вмещающие 2 электрона, гантелеобразные p-орбитали, вмещающие 6 электронов, а также более сложные d- и f- орбитали, вмещающие 10 и 14 электронов, соответственно.

Увеличение количества орбиталей приводит к увеличению радиуса атома, а значит, электрон, находящийся на внешней орбитали (валентной орбитали), можно легче оторвать, так как он находится дальше от ядра, где сила притяжения меньше. И наоборот, чем меньше радиус, тем сложнее оторвать валентный электрон. Однако это не всегда верно.Нужно учитывать также и тип электронного строения атома. Сравним, к примеру, два атома: атом лития и атом хлора. У лития 3 электрона, конфигурация имеет вид: Li₃ 2)1), итого 2 энергетических уровня 1 валентный электрон.

Хлор имеет 17 электронов с конфигурацией Cl₁₇ 2)8)7), всего 3 уровня и 7 валентных электронов! Радиус атома лития меньше чем радиус атома хлора, однако, хлор имеет почти законченную электронную конфигурацию, а у лития всего один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне, и он гораздо подвижнее. Поэтому электрон легче забрать у атома лития. При взаимодействии вышеназванных атомов, атом лития теряет свой электрон, то есть приобретает положительный заряд, а атом хлора, принимая электрон, становится отрицательным. Положительный заряд притягивает отрицательный, как магнит, образуя ионное соединение хлорида лития.

Итак, мы рассмотрели такое свойство химического элемента, как сродство к электрону. Интересно, что это свойство атома напрямую связано с местоположением элемента в периодической системе химических элементов. При движении по диагонали этой таблицы от атома цезия к атому фтора, с левого нижнего угла к правому верхнему, сродство атома к электрону будет увеличиваться.  

Химические элементы в периодической системе расположены по количеству протонов в ядре, которое для нейтрального атома равно количеству электронов. Поэтому с увеличением количества электронов их легче оторвать от атома. В пределах периода (горизонтальные линии) радиусы атомов одинаковы, и действует правило заполняемости энергетических уровней.

При взаимодействии атомов натрия и хлора, атом натрия, теряющий электрон, становится положительным (катионом), а атом хлора, забирающий электрон, становится отрицательным (анионом).

Из рисунка видно, что оба атома имеют приблизительно одинаковые радиусы, однако у атома хлора третья орбиталь практически заполнена. Поэтому энергетически намного выгоднее перенести одинокий валентный электрон натрия на атом хлора. Эта связь называется ионной и имеет электростатический характер взаимодействия, а разность электроотрицательностей атомов очень большая.

Рассмотрим молекулу, атомы которой имеют одинаковую электроотрицательность (сродство к электрону). Такое возможно только при взаимодействии атомов одного и того же элемента. Например, молекула кислорода О ₂ имеет дипольный момент равный нулю, т.е. разность электроотрицательностей равна нулю. В данном случае нет переноса электрона, а имеет место обобщение валентных электронов и перекрывание орбиталей. Данная связь называется ковалентной и она неполярна. Ковалентная связь образуется между атомами элементов, имеющих высокое сродство к электрону.

При взаимодействии атомов разных элементов с высоким сродством к электрону также образуется ковалентная связь, однако она будет полярной, так как разность электроотрицательностей не равна нулю. Примеры такого взаимодействия: H₂, CO₂, PC_l5 и так далее.

Итак, мы узнали, что особенности взаимодействия конкретного элемента с другими элементами можно предсказать, зная лишь его расположение в периодической таблице. Вернемся к 4 рисунку (периодическая таблица), как вы видите, все элементы делятся на группы. Элементы первой группы имеют один валентный электрон, который может быть перенесен на атом более электроотрицательного элемента. Элементы второй группы - 2 валентных электрона, элементы третьей группы - 3 валентных электрона. У элементов с четвертой группы по седьмую, электроотрицательность высокая, а значит для них характерны ковалентные связи.

Алюминий - элемент третьей группы, количество валентных электронов равно 3, значит, он может отдать эти 3 электрона атому другого элемента. В состав воздуха входит молекула кислорода, атом которого очень электроотрицателен. Элемент находится в шестой группе, значит количество валентных электронов равно 6. Не хватает 2 электронов для заполнения орбитали. Таким образом, 2 атома алюминия отдают по три электрона 3 атомам кислорода. Таким образом, мы получаем соединение оксид алюминия Al₂O₃, которым покрыты все алюминиевые изделия (столовые приборы, детали автомобиля, фольга, изделия красоты и т.д.).

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Периодическая система элементов - способ классификации химических элементов, устанавливающая связь между зарядом ядра (количеством протонов) и свойствами атома. Отцом периодического закона принято считать Д.И. Менделеева, который впервые ввел термин “периодичность”, а также сформулировал периодический закон соотношений атомных весов элементов. Он предсказал свойства некоторых неоткрытых элементов. Но особая заслуга Менделеева не в том, что он расположил элементы в определенном порядке, а в том, что представил эти закономерности как общий закон природы.

Современная периодическая таблица отличается от Менделеевской тем, что номер атома привязан к заряду атома, а не к атомному весу.