Отже, атоми взаємодіють своїми електронними хмарами. Щоб розшифрувати природу цих взаємодій, потрібно з'ясувати, як влаштовано електронне хмара. Виявляється, що описати його в точності - занадто складне завдання, але можна використовувати наближену модель, розглядаючи всі його електрони окремо. В цьому випадку у електронів виявляється цікава властивість: різні електрони завжди знаходяться в різних станах. Тому якщо ми з'ясуємо, які стану в принципі можливі для електрона в атомі, то можна буде «займати» їх необхідною кількістю електронів, як глядачі займають місця в кінотеатрі, і отримувати будова електронної хмари того чи іншого хімічного елемента.
Безліч станів електрона в атомі можна розбити на енергетичні рівні. Вони нумеруються числами 1, 2, 3 і так далі по зростанню енергії. Чим більше номер рівня, тим слабкіше взаємодія його електронів з ядром і тим більшого розміру хмара виходить з цих електронів. Накладаючись один на одного, хмари різних рівнів формують шарувату структуру, тому безліч електронів на заданому рівні називають електронним шаром.
Шарувата структура електронної хмари
У зображеного тут атома міді чотири електронних шару, і це можна побачити. Перший шар сконцентрований у самого ядра і виглядає чорною крапкою; другий займає трохи більший обсяг і виглядає, як сірий гурток; третій - це велика світло-сіра область посередині, а четвертий займає весь обсяг, видаючи невиразним ореолом навколо третього.
Кожен енергетичний рівень розбивається на підрівні різних видів, а вони в свою чергу - на орбіталі. Кожна орбіталь включає в себе два можливих (і, до речі, дуже схожих) стану, тому на одній орбіталі можуть «оселитися» не більше ніж два електрона. Фрагмент електронної хмари, відповідний певної орбіталі, можна зобразити в просторі і таким чином розглядати орбіталі окремо:
Розріз 2p-орбіталі атома азоту
Це дозволяє дуже наочно уявити взаємодію електронних хмар атомів один з одним.
Цікаво знати! Тип підрівні позначається буквою (s, p, d, f, g, ... по зростанню енергії), яка вказує число орбіталей на ньому (1, 3, 5, 7, 9, ... відповідно). Перший рівень складається з одного підрівня (1s); другий - з двох (2s, 2p); третій - з трьох (3s, 3p, 3d) і так далі; загальне число орбіталей на рівні з номером n одно n 2. Розподіл електронів по подуровням називається електронною конфігурацією; наприклад, конфігурація атома хлору записується так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5.
Валентними називають електрони, які беруть пряму участь в хімічних взаємодіях атома з іншими атомами. Неважко здогадатися, що електронні шари, що лежать глибоко всередині атома, навряд чи здатні на це: їх енергія дуже низька, вони міцно пов'язані з ядром і навіть не відчують присутність сусідніх атомів. Зовнішній же електронний шар формує зовнішню частину електронного хмари атома і стикається з іншими атомами в першу чергу; він має найвищу енергію, набагато більш рухливий і слабкіше пов'язаний з атомним ядром. Тому в атомі валентними електронами є в першу чергу електрони зовнішнього шару.
Розглянемо хімічні елементи в порядку зростання атомного номера Z (такий ряд ще називають натуральним рядом хімічних елементів). В атомі кожного наступного елемента на один електрон більше, і поступово в ряду заповнюється все більше електронних рівнів. Таким чином, зовнішнім стає спочатку перший шар, потім другий, потім третій і так далі.
Число електронів на зовнішньому шарі