Одной из главных характеристик любого химического элемента является его атомный номер в периодической системе Менделеева. Атомный номер равен положительному электрическому заряду ядра, который выражен в элементарных единицах электричества, то есть в зарядах одного электрона. Для нормального атома атомный номер равен числу орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядра. Атомный номер очень важен. Именно он определяет химические свойства атома и вообще данного химического элемента. Самая простая конструкция у атома водорода. Он состоит из одного протона (это ядро) и одного отрицательного электрона, который вращается вокруг этого ядра. Протон тяжелее электрона в 1840 раз. Поэтому в ядре атома и сосредоточена практически вся масса. На долю орбитальных электронов приходится только пренебрежимо малая доля массы атома.
Как электрический заряд атома измеряют в зарядах электрона, так массу атома измеряют в массах протона. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Но в ядрах более сложных химических элементов кроме протонов имеются и нейтроны. Это электрически нейтральные протоны. У этих частиц масса равна в точности массе протонов, но у них нет никакого электрического заряда.
Кроме обычного водорода, ядро атома которого состоит из одной частицы (протона), имеется и двойной водород (дейтерий), у которого ядро атома состоит из двух частиц — одного протона и одного нейтрона. Имеется и водород — тритий, у которого в ядре содержатся три частицы — один протон и два нейтрона. Свойства у этих трех разновидностей водорода разные, поскольку их атомные веса разные. У нормального водорода атомный вес равен 1. У дейтерия он равен 2, а у трития — 3. Но это физические свойства. А химические свойства у всех этих разновидностей водорода одинаковые, поскольку у них одинаковый номер в периодической системе Менделеева, то есть у них одинаковое число орбитальных электронов. Такие химические элементы, а точнее — разновидности одного и того же химического элемента называются изотопами («изо» — значит «равный»). Речь идет о равных, одинаковых номерах или, другими словами, о равном числе орбитальных электронов.
Орбитальные уровни вращаются вокруг ядра не так, как им заблагорассудится. Здесь, как и везде в природе, имеются строгие законы, которые нельзя нарушить. Имеются определенные электронные уровни (их еще называют оболочками), на которых может находиться только строго определенное количество электронов. На самой нижней оболочке могут находиться только два электрона. Так, у химического элемента гелия эта оболочка заполнена. У атома гелия два орбитальных электрона. Атомный номер гелия равен двум. Когда заполнена первая оболочка, начинается заселение электронами второй оболочки. Эта оболочка дальше удалена от ядра. Она имеет целых восемь вакансий для электронов. За этими двумя оболочками следуют другие, на которых могут разместиться восемь, восемнадцать, еще раз восемнадцать и тридцать два электрона.
Когда два атома приближаются друг к другу, то на определенном расстоянии они испытывают действие сил сопротивления. Это наступает, когда соприкасаются самые внешние оболочки атомов. Собственно именно эти внешние оболочки с их электронами и определяют химические свойства данного элемента. Так, если внешняя оболочка упакована полностью (заполнена), то атом инертен. Он очень неохотно вступает в различные взаимодействия с другими атомами или молекулами. В обычных условиях такие атомы вообще не образуют соединений. Совсем другое дело, если на внешней оболочке имеются вакансии, то есть свободные места. В этом случае вакансии постараются занять электроны другого, соседнего атома. Здесь работает закон очереди. В новую очередь переходят те, кто находится в хвосте. Поэтому кандидатами на вакантные места являются только электроны, которые находятся на самой внешней оболочке другого атома. Но они при этом поступают очень осмотрительно: занимают вакантные места в не своем атоме, но места в своем атоме не сдают. Так они являются слугами двух господ, а точнее — атомов. Они и связывают эти атомы в единое целое. Это целое, образованное описанным выше способом, называется молекулой.
Способность атома соединяться с водородными атомами или их эквивалентами, называется валентностью. Самая большая нормальная валентность атома определяется числом свободных мест на внешней оболочке, которые он может предоставить другим атомам. Но имеется и другая возможность того, как осуществить связь между атомами. Данный атом может не только предоставить вакансии для электронов других атомов, но он может отдать свои свободные электроны ради такой связи. Это тоже валентность, то есть связь. Она определяется числом тех электронов, которые атом может отдать для заполнения свободных мест во внешних оболочках других атомов. На практике самая большая (максимальная) валентность может и не быть достигнута. Валентность никогда не превышает восьми.
Важно подробнее рассмотреть связи углерода. Он имеет четыре электрона на внешней оболочке. Заполненной эта оболочка становится только при восьми. Это значит, что число электронов, которое может принять или отдать атом углерода, в обоих случаях равно четырем. Это свойство атомов водорода принципиально важно. Благодаря ему атомы углерода легко соединяются друг с другом в цепочки. Благодаря этому именно углерод занимает исключительное место в химии земной жизни. У других элементов все по-другому. Так, азот имеет на внешней оболочке три свободных места и пять электронов. Это значит, что его валентность равна соответственно трем или пяти.
Связь между атомами может осуществляться одним или несколькими электронами. В первом случае связь является одиночной. Если связь осуществляют два электрона, то связь называют двойной, и т. д.
Прочность созданной таким путем связи зависит от того, как много надо затратить энергии для того, чтобы эту связь разорвать. На научном языке это значит, что прочность связи зависит от относительных электрических потенциалов соединяющихся атомов. Потенциал — это возможность, способность.
Мы описали наиболее распространенные связи между атомами. Но имеются и более слабые связи. Например, когда единственный орбитальный электрон атома водорода присоединяется к другому атому, то с противоположной стороны вблизи ядра возникает небольшой местный избыток положительного заряда. А это открывает возможность установления нового типа связи между атомами. Она более слабая, чем связь путем обмена электронами.
Когда атомы благодаря описанным возможностям объединяются, то они образуют соединения. В соединения могут входить атомы одного химического элемента, или же они состоят из атомов различных элементов. Легче всего одному атому зацепиться за другой в том случае, если они дальше находятся друг около друга. Кроме того, соединение создается легче, если атомы находятся ближе друг к другу. С точки зрения физики это означает, что чем выше температура, тем этот процесс идет медленнее. Это и понятно — чем выше температура, тем с большими скоростями носятся атомы и молекулы. Температура и определяется через скорость движения атомов и молекул. Кроме того, чем больше давление, то есть чем плотнее прижаты друг к другу атомы, тем процесс идет быстрее. Таким образом, с понижением температуры и с увеличением давления количество возможных соединений увеличивается. При этом речь не идет о столь высоких давлениях, при которых уже начинают разрушаться сами атомы и молекулы. Если же температура очень высокая, как в атмосферах горячих звезд и горячих диффузных туманностях, никакие химические соединения образоваться не могут. Каждый отдельный атом носится сам по себе, и ему не дают возможности соединиться с соседним атомом. Поэтому в атмосферах горячих звезд могут существовать только одноатомные газы. Но если температура понижается и атомы двигаются с меньшей скоростью, у них появляется возможность и время организовать с соседями некие конструкции, соединения. Самой простой такой конструкцией является молекула. В ней связь между отдельными атомами очень сильная. Если температура достаточно высокая, то есть скорости движения атомов большие, то слабая конструкция тут же развалится и атомы разбегутся в разные стороны. Молекула же является конструкцией с сильными связями, и она до определенной температуры остается целой. Чем ниже температура, тем больше возможностей у атомов образовывать различные соединения. Кроме молекул обычных образуются более сложные соединения с большим молекулярным весом и более слабыми связями.
