Ми вже знайомі із принципом Паулі і пояснили, чому атоми прагнуть мати заповнений зовнішній енергетичний рівень, віддаючи, або отримуючи електрони. Сьогодні розкажемо за яким принципом відбувається обмін електронами між атомами і дізнаємось, що таке електронегативність.
Електричний заряд атома
І почнімо ми з електричного заряду. Усередині атома є позитивно заряджене ядро. У ньому містяться протони. Кожен протон має позитивний заряд. Навколо ядра розташовані електрони, і кожен електрон має негативний заряд. Як відомо, протилежні заряди притягуються, однакові — відштовхуються.
Тобто позитивне ядро притягує негативні електрони. Саме тому електрони взагалі “тримаються” біля атома. Але є важливий момент. Різні елементи мають різну кількість протонів у своєму ядрі. У водню в ядрі лише один протон. У літію — три. У вуглецю — шість. У хлору — сімнадцять. чим більше протонів у ядрі, тим сильніший позитивний заряд ядра. Здавалося б, усе просто: більше протонів — сильніше притягання електронів. Але тут з’являється друга важлива річ — відстань.
Енергетичні рівні атома
Електрони не всі знаходяться однаково близько до ядра. Вони розміщуються на енергетичних рівнях, або, якщо говорити образно, на “поверхах” атома.
Перший рівень — найближчий до ядра. Другий — трохи далі. Третій — ще далі. І чим далі електрон від ядра, тим слабше ядро його тримає. Тому атоми поводяться по-різному не лише через кількість протонів, а й через те, наскільки далеко зовнішні електрони від ядра.
Іонний зв’язок
Наприклад, у натрію 11 електронів. Перші два розташовані на першому рівні, ще вісім — на другому, а останній, одинадцятий електрон, опиняється вже на третьому рівні.
Він далеко від ядра. До того ж внутрішні електрони частково “екранують” його від позитивного заряду ядра. Тобто між ядром і зовнішнім електроном ніби стоїть ціла “подушка” з інших електронів. Тому натрію досить легко втратити цей один зовнішній електрон.
А тепер подивимося на хлор. У хлору на зовнішньому рівні сім електронів. Йому не вистачає лише одного електрона до заповненого зовнішнього рівня. В той же час, ядро хлору досить сильно притягує електрони, бо має аж 17 протонів.
Тому коли натрій зустрічається з хлором, ситуація складається дуже вдало для обох атомів: натрію легше віддати один електрон, а хлору — забрати один електрон. Натрій втрачає електрон і стає позитивно зарядженим іоном Na⁺. Хлор приймає електрон і стає негативно зарядженим іоном Cl⁻.
Оскільки протилежні заряди притягуються, то Позитивний іон Na⁺ і негативний іон Cl⁻ притягуються один до одного утворюючи кухонну сіль, NaCl.
Тобто хімічний зв’язок тут виникає не тому, що атоми “склеїлися”, а тому, що після передачі електрона з’явилися протилежно заряджені частинки. Такий зв’язок називають іонним.
Електронегативність
Але не всі атоми віддають електрони так охоче. І не всі атоми однаково сильно їх притягують. Все залежить від електронегативності, тобто здатності атома притягувати до себе електрони в хімічному зв’язку. Електронегативність – це “сила електронного тяжіння” атома.
Фтор — один із найсильніших “мисливців за електронами”. У нього дев’ять протонів у ядрі, а зовнішній рівень дуже близько до ядра — це лише другий енергетичний рівень. На цьому рівні фтору не вистачає одного електрона до заповнення.
Тому фтор дуже сильно тягне електрони до себе. Він маленький, ядро у нього заряджене досить сильно, а зовнішні електрони близько. Тобто, співвідношення сили заряду ядра і відстані до електронів у фтору найоптимальніше. Тому фтор має найвищу електронегативність серед усіх елементів. Завдяки своїй активності, фтор буквально “вириває” електрони в інших атомів або дуже сильно перетягує їх на себе у спільному зв’язку.
Ще одним сильним елементом, у якого висока електронегативність, є кисень, який має у своєму ядрі 8 протонів, і 6 електронів на зовнішньому рівні. Йому не вистачає двох електронів до заповненого рівня. Тому кисень охоче утворює зв’язки і часто тягне електрони на себе сильніше, ніж багато інших елементів.
А от натрій, калій, кальцій, магній — навпаки. Їхні зовнішні електрони розташовані далі від ядра, і атомам часто легше віддати ці електрони, ніж утримувати їх. Тому метали зазвичай віддають електрони, а неметали часто їх приймають або притягують до себе.
Але буває й інша ситуація. Не завжди електрон повністю переходить від одного атома до іншого.
Ковалентний зв’язок
Наприклад, у молекулі води H₂O кисень не забирає електрони у водню повністю. Він ділить їх із воднем, але тягне спільні електрони сильніше до себе. У результаті біля кисню утворюється невеликий “мінус”, а біля атомів водню — невеликий “плюс”. Молекула води стає полярною: один її бік трохи негативний, інший — трохи позитивний.
І це має величезне значення. Саме через цю полярність вода так добре розчиняє багато речовин, утворює водневі зв’язки і має високу теплоємність.
Якщо атоми однаково сильно тягнуть електрони, вони ділять їх майже порівну. Наприклад, у молекулі кисню O₂ два однакові атоми кисню тримають спільні електрони приблизно однаково. Немає “сильнішого” і “слабшого”, тому зв’язок симетричний. А от якщо атоми різні, починається перетягування електронів. Хтось тягне сильніше, хтось слабше. І саме з цього народжується різниця між речовинами.
Тепер можна відповісти на головне питання: що таке електричний заряд на рівні атомів?
Що таке електричний заряд на рівні атомів
Протон має позитивний заряд. Електрон має негативний заряд. Нейтрон заряду не має. Якщо в атомі кількість протонів і електронів однакова, атом у цілому нейтральний. Наприклад, у натрію 11 протонів і 11 електронів — загальний заряд нуль.
Але якщо натрій втрачає один електрон, у нього залишається 11 протонів і лише 10 електронів. Позитивного заряду стає більше, ніж негативного. Тому натрій перетворюється на позитивний іон Na⁺.
Якщо хлор має 17 протонів і 17 електронів — він нейтральний. Але якщо він приймає ще один електрон, електронів стає 18, а протонів лишається 17. Негативного заряду стає більше. Так утворюється Cl⁻.
Отже, заряд атома або іона залежить від балансу між протонами й електронами. Протони визначають, який це елемент. Електрони визначають, як цей елемент поводиться в хімії. А зовнішні електрони — це головні учасники хімічних реакцій.
Саме вони вирішують, чи атом віддасть електрон, чи забере, чи поділиться, чи буде сильно тягнути електрони на себе.
Тому хімія — це, по суті, історія про електрони. Не про всі електрони одразу, а передусім про зовнішні. Саме вони створюють зв’язки, формують молекули, солі, кислоти, білки, ДНК, воду, повітря і все, з чого складається наш світ.
І якщо сказати зовсім просто: електрон зміщується туди, де йому енергетично вигідніше бути.
Якщо одному атому легше віддати електрон, а іншому легше його прийняти — виникає іонний зв’язок.
Якщо атоми ділять електрони — виникає ковалентний зв’язок.
Якщо один атом тягне спільні електрони сильніше — зв’язок стає полярним.
А якщо електрони можуть вільно рухатися між багатьма атомами, як у металах, виникає металічний зв’язок — і саме тому метали проводять електричний струм.
Тобто весь величезний світ хімії починається з дуже простого правила: позитивні і негативні заряди притягуються.
А далі вже вступають у гру відстань до ядра, кількість протонів, енергетичні рівні, заповнення орбіталей і здатність атома тягнути електрони до себе.
В залежності від співвідношення цих складових, один атом легко віддає електрон, інший майже силою його забирає, а третій домовляється і ділить електрони з сусідом. Звідси починається хімічний зв’язок, який утворює речовини, матеріали, клітини і нас самих.