Помимо удаленности электронов на внешнем уровне от ядра есть еще кое-что, обусловливающее их неспокойное поведение: в то время как внутренние электронные оболочки атомов полностью заняты, внешние у многих элементов частично не заполнены. Ведь, как уже говорилось, количество электронов ограничено – оно соответствует числу протонов. Лично я не против, если в кинотеатре в моем распоряжении окажется целый ряд свободных кресел. Но я же не электрон. А они, главным образом на внешнем уровне, экстраверты – ненавидят незаполненные ряды и хотят, чтобы их оболочки непременно были заняты!
Это желание проявляется интересным образом: элементы, у которых во внешней оболочке одновременно свободны несколько мест, не особенно агрессивны. Но если не занято одно-единственное место или если во внешней оболочке в одиночку сидит электрон, дело принимает неприятный оборот. Самые агрессивные элементы те, которые до заполнения внешней оболочки не дотянули самую малость. Припомните: по окончании мировых футбольных чемпионатов слезы на глазах обычно у игроков команды, занявшей второе место, – они были так близки к цели…
Итак, химический темперамент атома связан с числом его электронов на внешнем уровне. У нашего фтора таких семь, а в его крайней оболочке восемь мест. То есть не занято всего одно место, и это буквально бесит фтор. Он неустанно ищет себе восьмой электрон у других атомов и молекул и не успокоится, пока не заполнит последнее свободное место в своей внешней оболочке.
Впрочем, в этой проблеме фтор не одинок. Почти все элементы основных групп периодической системы хотели бы иметь по восемь электронов на внешнем уровне. Это страстное желание называют правилом октета. Название вводит в заблуждение в том смысле, что это не твердое правило в рамках физических законов – речь всего лишь о модели. Впрочем, об очень практичной, тесно связанной с оболочечной моделью. Правило октета не только объясняет, какие элементы особенно реактивны, но и подсказывает, какие реактанты подходят друг другу. У каждого элемента есть потребности, и выполнение правила октета может быть одной из них. Химические реакции и соединения происходят для удовлетворения этих потребностей. (По сути, в общем-то, как и у людей.)
Фтор – как младенец, который голоден и потому бузит. Его покормишь, и он успокоится. (Тут родители могут иметь другую точку зрения…) Как только фтор вступает в соединение, дарующее ему столь страстно желаемый восьмой электрон, такого больше не происходит.
Что же все это значит для моей сковородки? В тефлоне фтор связан с углеродом, у которого есть характерная особенность щедро делиться электронами и оболочками с другими атомами. (Как именно выглядит такое соединение, выясним в главе 8.) Чтобы извлечь фтор из этого благополучного для него состояния, потребовалось бы затратить очень много энергии. Тефлон пришлось бы нагреть до температуры выше 360 °C, чтобы разрушить соединения; рекомендуемая максимальная температура для тефлоновых сковородок – 260 °C (Кстати, для моей яичницы оптимальны всего 83 °C – при этой температуре сворачивается яичный белок.)
Итак, согласно правилу октета, атомы фтора и углерода в моей сковородке достигли всего, чего только может достичь элемент: заполненной внешней оболочки. Химическое соединение между фтором и углеродом сродни идеальному браку: никто из партнеров не заглядывается на другие атомы и молекулы. Даже на очень привлекательные белки моей шкварчащей на сковородке яичницы.
Когда на сковороде остаются прилипшие остатки еды, это тоже не что иное, как взаимодействие между молекулами. Но тефлон не проявит интереса к моей яичнице, как не заинтересуется вообще ничем съедобным. Может быть, содержащийся в сковороде фтор который раз вспоминает свою лихую молодость, когда он был фтороводородной кислотой, и несказанно рад, что та часть его жизни навсегда осталась в прошлом. «У меня есть все, чего хочу, оставьте меня в покое», – думает он. В то время как моя яичница говорит: «Ну и ладно, меня здесь вообще не было». И вся без остатка соскальзывает на тарелку.
Фториды в зубной пасте тоже довольны жизнью, как и атомы фтора в сковороде. Выше я упоминала, что у не имеющего заряда атома одинаковое количество электронов и протонов – таким образом электрические заряды взаимно компенсируются. Но атом может быть и заряженным, тогда он называется ионом. Отрицательно заряженный ион называется анионом, он возникает, когда электронов в нем оказывается больше, чем протонов. Когда электронов меньше, чем протонов, положительно заряженный ион называется катионом. Катионам не дают названий с каким-то определенным окончанием. Окончание – ид в слове «фторид» подсказывает, что мы имеем дело с отрицательно заряженным ионом: кто-то одарил фтор электроном, которого он так горячо желал. Теперь, будучи просто заряженным анионом с восемью электронами на внешнем уровне, фторид выполнил правило октета и всем доволен.
Как же свершилось это счастье? Пылким партнером и реактантом стал элемент натрий, входящий в первую основную группу периодической системы и относящийся к щелочным металлам
[8]. Натрий (обозначается как Na) знаком нам по хлориду натрия – поваренной соли. Однако в соли содержится не чистый натрий как элемент, а его катион с положительным зарядом, соединенный с анионом хлора. И вы наверняка с чистым натрием никогда не встречались. Поскольку так же, как в природе нет элементарного фтора, нет и такого натрия.
Натрий – это блестящий металл серого цвета; он настолько мягкий, что его можно резать ножом. Звучит мило, но если натрий бросить в воду, он будет интенсивно реагировать. (Как это происходит, можно посмотреть на YouTube; главное – сами не повторяйте.) Так что натрий – еще один агрессивный кандидат в партнеры и идеальный реактант для фтора. Дело в том, что электронов-то атому натрия хватает, но в его внешней оболочке, как и у всех щелочных металлов, есть одинокий электрон, который с бо́льшим удовольствием покинул бы этот атом, чем дальше торчать там в одиночку. Так что от этого электрона натрий хочет избавиться, причем чем скорее, тем лучше. И как хорошо, если кто-нибудь подоспеет со фтором – так оба элемента могут выполнить правило октета. А вместе они дадут соль фторид натрия (или фтористый натрий) – ту самую, что содержится в зубной пасте. (Тот же принцип, кстати, действует для натрия и хлора, дающих нам пищевую соль – хлорид натрия.) Фтор в зубной пасте не особенно реактивен, но это вовсе не означает, что он не токсичен. Может, он все-таки ядовит? Смерть от зубной пасты? Зачем вообще в пасте фторид? Мне сейчас так или иначе надо почистить зубы, поэтому давайте проясним это дело в ванной комнате.
