Итак, атомы взаимодействуют своими электронными облаками. Чтобы расшифровать природу этих взаимодействий, нужно выяснить, как устроено электронное облако. Оказывается, что описать его в точности — слишком сложная задача, но можно использовать приближённую модель, рассматривая все его электроны по отдельности. В этом случае у электронов обнаруживается интересное свойство: разные электроны всегда находятся в разных состояниях. Поэтому если мы выясним, какие состояния в принципе возможны для электрона в атоме, то можно будет «занимать» их необходимым числом электронов, как зрители занимают места в кинотеатре, и получать строение электронного облака того или иного химического элемента.

Множество состояний электрона в атоме можно разбить на энергетические уровни. Они нумеруются числами 1, 2, 3 и так далее по возрастанию энергии. Чем больше номер уровня, тем слабее взаимодействие его электронов с ядром и тем большего размера облако получается из этих электронов. Накладываясь друг на друга, облака разных уровней формируют слоистую структуру, поэтому множество электронов на заданном уровне называют электронным слоем.

У изображённого здесь атома меди четыре электронных слоя, и это можно увидеть. Первый слой сконцентрирован у самого ядра и выглядит чёрной точкой; второй занимает чуть больший объём и выглядит, как серый кружок; третий — это большая светло-серая область посередине, а четвёртый занимает весь объём, выдаваясь смутным ореолом вокруг третьего.

Каждый энергетический уровень разбивается на подуровни разных видов, а они в свою очередь — на орбитали. Каждая орбиталь включает в себя два возможных (и, кстати, очень похожих) состояния, поэтому на одной орбитали могут «поселиться» не более чем два электрона. Фрагмент электронного облака, соответствующий определённой орбитали, можно изобразить в пространстве и таким образом рассматривать орбитали по отдельности:

Это позволяет очень наглядно представить взаимодействие электронных облаков атомов друг с другом.

Интересно знать! Тип подуровня обозначается буквой (s, p, d, f, g, … по возрастанию энергии), которая указывает число орбиталей на нём (1, 3, 5, 7, 9, … соответственно). Первый уровень состоит из одного подуровня (1s); второй — из двух (2s, 2p); третий — из трёх (3s, 3p, 3d) и так далее; общее число орбиталей на уровне с номером n равно n². Распределение электронов по подуровням называется электронной конфигурацией; например, конфигурация атома хлора записывается так: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

Валентными называют электроны, которые принимают прямое участие в химических взаимодействиях атома с другими атомами. Нетрудно догадаться, что электронные слои, лежащие глубоко внутри атома, вряд ли способны на это: их энергия очень низка, они крепко связаны с ядром и даже не почувствуют присутствие соседних атомов. Внешний же электронный слой формирует наружную часть электронного облака атома и сталкивается с другими атомами в первую очередь; он имеет самую высокую энергию, намного более подвижен и слабее связан с атомным ядром. Поэтому в атоме валентными электронами являются в первую очередь электроны внешнего слоя.

Рассмотрим химические элементы в порядке возрастания атомного номера Z (такой ряд ещё называют натуральным рядом химических элементов). В атоме каждого последующего элемента на один электрон больше, и постепенно в ряду заполняется всё больше электронных уровней. Таким образом, внешним становится сначала первый слой, затем второй, затем третий и так далее.

На первом уровне может находиться всего два электрона, поэтому уже у атома гелия первый слой завершён. Третий электрон в атоме лития вынужден идти на второй уровень, и внешним у него становится второй слой. Второй уровень вмещает восемь электронов и поэтому заполняется у элементов вплоть до неона. Одиннадцатый электрон идёт уже на третий уровень, поэтому в атоме натрия внешним слоем становится третий. У следующих за натрием элементов он заполняется также восемью электронами.

Интересно знать! Третий уровень вмещает всего 18 электронов (3s² 3p⁶ 3d¹⁰), однако d-подуровень всегда «опаздывает» и начинает заполняться уже после того, как заполнен s-подуровень следующего уровня. Именно поэтому d-электроны не бывают внешними, а внешний слой не может накопить более 8 электронов. Похожая история наблюдается и для f-подуровней, только они «опаздывают» ещё сильнее: например, 4f начинает заполняться после 6s.

Нетрудно заметить сходство нашей таблицы с таблицей Менделеева. Дело в том, что в одном столбце оказываются элементы с одинаковым числом валентных электронов, а ведь именно эти электроны определяют химические свойства атома. Пришло время разобраться, по каким принципам построена таблица Менделеева и как работает периодический закон.